/
Автор: Золотарев Г.С.
Теги: строительство инженерных сооружений науки о земле (геодезические, геофизические, геологические и географические науки) геология горное дело инженерная геология
ISBN: 5—211—01063—9
Год: 1990
Текст
Г. С. Золотарев
I Методика
геологических!
исследований
Г. С. Золотарев
Методика
инженерно-
геологических
исследований
Допущено Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебника для студентов вузов,
обучающихся по специальности «Гидрогеология
инженерная геология»
ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1990
ББК 26 3
3-80
УДК 624 131 551 3
Рецензенты
кафедра инженерной геологии н гидрогеологии Одесского государственного
университета,
доктор геолого минералогических наук, профессор Г К Бондарик
Золотарев Г. С.
3-80 Методика инженерно-геологических исследований: Учеб-
ник — М • Изд-во МГУ, 1990. — 384 с.
ISBN 5—211—01063—9.
В учебнике, написанном в соответствии с программой одноименного
курса, рассматриваются методика и теоретические основы инженерно-гео-
логических исследований на разных ciадиях проектирования и строитель-
ства городов, промышленных объектов, гидротехнических, транспортных,
подземных сооружений и горнодобывающих предприятий Приводятся
обоснования эффективной защиты территории и сооружений от воздейст-
вия инженерно геологических процессов и явлений Особое внимание уде-
ляется развитию у студентов правильного понимания особенностей геоло-
гической среды, ее взаимосвязи с сооружениями и строительным произ-
водством
Для студентов геологических специальностей вузов, а также работни-
ков проектно-изыскательских организации
Учебное издание
Золотарев Георгий Сергеевич
МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ исследований
Зав редакцией И И Щехура
Редактор Н В Баринова
Художественный редактор А П Прокошев
Переплет художника Б С Вехтера
Технический редактор Г Д Колоскова
Корректоры Л А Аидарбекова, Е Б Витюк
ИБ № 3751
Подписано в печать 14 11 90
Бумага офс № 2
Высокая печать
Уч -изд л 28,01
Заказ 276 Изд № 847
Сдано в набот 14 03 90
Формат 60X90/16
Гарнитура литературная
Усл печ л 24,0
Тираж 3400 экз
Цепа 1 р 30 к
Ордена «Знак Почета» издательство Московского университета
103009 Москва ул Герцена, 5/7
1ипография ордена «Знак Почета» изд ва МГУ
119899, Москва Ленинские горы
1804090000(4309000000) —122 2д_9а
3 077(02)—90
ББК 26.3
ISBN 5—211—01063—9
© Золотарев Г С, 1990
Посвящается безвременно погибшей семье
В. Г. Золотарева
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие инженерной геологии — науки широкого профиля с мно-
гообразными задачами — привело к дифференциации учебных
курсов в целях наиболее успешного овладения предметом науки,
методами исследования и решением практических проблем. В си-
стеме университетов действуют два вида учебных планов по спе-
циальности «гидрогеология и инженерная геология»—типовые и
индивидуальные (для Московского и Ленинградского университе-
тов), различающиеся перечнем и объемами курсов инженерно-
геологического цикла; учебные планы п программы курсов по ин-
женерной геологии у вузов технического направления (Москов-
ский геологоразведочный институт, Ленинградский горный инсти-
тут и соответствующие факультеты политехнических институтов)
отличаются от программы университетов. Однако при любом на-
боре и количестве часов курсов (дисциплин) по инженерной гео-
логии в них должны рассматриваться основные вопросы инженер-
ной геодинамики, региональной инженерной геологии и методики
инженерно-геологических исследований (изысканий), но с разной
степенью детальности. Специализированное исследование и оцен-
ка горных пород — грунтоведение — изучается в нескольких кур-
сах. Аналогично в целях более глубокого освоения инженерной
геологии, ее задач, методики и методов исследований примени-
тельно к требованиям проектирования, строительства и эксплуа-
тации различных сооружений, рационального использования тер-
ритории и охраны среды в МГУ выделены и читаются отдельно
следующие курсы: методика инженерно-геологических исследова-
ний; методы инженерно-геологических исследований (картирова-
ние, документация, натурные опытные фильтрационные, геомеха-
нические и другие работы, режимные наблюдения и т. д.); инже-
нерно-геологические расчеты и моделирование.
Методика инженерно-геологических исследований является ос-
новным курсом по инженерной геологии; он читается для студен-
тов всех кафедр отделения, в то время как «методы», «расчеты» и
«моделирование» изучают студенты только кафедры инженерной
геологии и охраны геологической среды. Студенты кафедр гео-
криологии и гидрогеологии слушают аналогичные курсы, соответ-
ствующие своей специализации.
Новые проблемы строительства и охраны природы, решение
которых требует перестройки всех отраслей народного хозяйства
страны, в полной мере относятся к научной и практической
деятельности в области инженерной геологии. Необходимо значи-
тельное совершенствование (перестройка) методики инженерно-
геологических изысканий практически для всех видов проектиро-
вания, строительства и эксплуатации различных сооружений, ра-
3
ционального использования и защиты территории. Надо изменить
мышление в принципиальных подходах при проведении изыска-
ний к решению инженерно-геологических задач в условиях повы-
шенных требований и ответственности. Следует отказаться от
больших, нередко излишних объемов полевых и лабораторных ра-
бот, за которые обычно выплачивают премии. Строительство уни-
кальных сооружений в сложных и малоблагоприятных природных
условиях потребовало создания нового направления в инженерно-
геологических исследованиях—мониторинга геологической среды,
призванного обеспечивать надежность эксплуатируемых сооруже-
ний, совершенствовать конструкции в период строительства и ме-
тодики изысканий.
В связи с особенностями учебного плана в Московском универ-
ситете в настоящем курсе «Методика инженерно-геологических
исследований» введена глава, в которой характеризуются основ-
ные методы, используемые в инженерно-геологических изыска-
ниях. В учебниках по инженерной геологии (Попов, 1959; Коло-
менский, 1968, 1969; Ломтадзе, 1978) существуют два крупных
раздела; в одном из них описываются различные виды инженер-
но-геологических работ, во втором, обычно в меньшем объеме,—
собственно вопросы методики изысканий применительно к различ-
ным видам строительства или иным задачам. Например, в учеб-
нике В. Д. Ломтадзе «Специальная инженерная геология» (1978)
раздел «Методы изысканий» занимает больше половины общего
объема книги. Термин «специальная инженерная геология» не
вполне отражает содержание курса, но важно другое: авторы
имеют общую точку зрения на проблемы методики инженерно-
геологических исследований.
В оригинальном учебнике Г. К. Бондарика «Методика инже-
нерно-геологических исследований» (1986) четкое системное из-
ложение материала начинается с рассмотрения особенностей при-
родно-технических и геологических систем, свойств геологических
систем и тел. Описанию инженерно-геологических работ отведена
почти половина объема учебника, а вопросам методики изыска-
ний— около 16%. В учебнике дано мало примеров выполнения
инженерно-геологических изысканий для обоснования различного
строительства.
По проблемам инженерной геологии месторождений полезных
ископаемых и методике исследований в горном деле опубликова-
ны учебник В. Д. Ломтадзе (1986) и методическое пособие
И. П. Иванова (1987), а также методическое руководство (1986),
подготовленное институтом ВСЕГИНГЕО, которые способ-
ствуют глубокому освоению этого важного направления в инже-
нерной геологии. Значительно меньше методических работ, и они
разрознены в виде статей по методике изысканий для обоснования
градо-, промышленного и особенно транспортного строительства.
Лучше обеспечены методическими пособиями инженерно-геологи-
ческие изыскания для плотиностроения и ГЭС (многочисленные
рекомендации в виде отдельных брошюр и статей в сборниках, а
4
также монографии «Плотины и геология», регулярно издаваемые
институтом «Гидропроект»).
В практике изысканий широко используются термины «инже-
нерно-геологические исследования» и «инженерно-геологические
изыскания», содержание которых можно считать одинаковым, но
в первые обычно включают научно-теоретические проработки, что
делает понятие «исследования» более объемным. Для лучшего
усвоения предмета на практических занятиях каждый студент со-
ставляет инженерно-геологические разрезы участков расположе-
ния сооружений с кратким заключением, а также делает рефера-
тивный доклад на основе ознакомления с соответствующей лите-
ратурой, в которой рассматриваются методика и результаты ис-
следований на конкретном примере.
Автор глубоко признателен заведующему кафедрой инженер-
ной геологии и охраны геологической среды, акад. Е. М. Сергееву
за большое содействие в опубликовании учебника, коллегам по
кафедре, в первую очередь проф. Г. А. Голодковской, проф.
В. Т. Трофимову, доц. Э. В. Калинину и другим, с которыми автор
работает не одно десятилетие, и многим сотрудникам, помогав-
шим в подготовке рукописи к печати.
Автор благодарит проф. Г. К. Бондарика, проф. И. П. Зелин-
ского, проф. И. А. Печеркина, а также сотрудников кафедр инже-
нерной геологии Воронежского и Одесского университетов за от-
зывы и ценные замечания о проспекте и рукописи учебника.
Глава I
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
МЕТОДИКИ ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Методика инженерно-геологических исследований призвана обес-
печить эффективное решение теоретических и практических задач
инженерной геологии (см. гл. I учебника Г. С. Золотарева «Ин-
женерная геодинамика», 1983) с помощью разнообразных натур-
ных, экспериментальных и аналитических работ и соответствую-
щих обобщений, выполняемых целенаправленно и в минимально
необходимых видах и объемах, постадийно, в требуемой последо-
вательности в связи с проектированием, строительством, эксплуа-
тацией, инженерной и экологической защитой территорий, соору-
жений, земель, городов, месторождений полезных ископаемых и
других объектов от опасных геологических процессов.
Методика инженерно-геологических исследований: а) представ-
ляет собой систему знаний о задачах, методах и технологии изу?
чения геологической среды, взаимодействующей с сооружениями
и строительными работами, в связи с ее рациональным использо-
ванием и решением экологических проблем, защитой территории
и народнохозяйственных объектов; б) рассматривает вопросы и
методы получения и обработки оптимальной инженерно-геологи-
ческой информации, необходимой для решения конкретных про-
ектно-строительных задач и планирования развития народного
хозяйства страны; в) должна обеспечить эффективность и качест-
во материалов изысканий при минимальных сроках их выполне-
ния и стоимости; г) предотвратить ошибки в оценке геологической
среды. В этом большое значение методики и резервы экономии.
Методика исследований непрерывно совершенствуется в связи с
изменениями типов и повышением ответственности инженерных
сооружений, усложнением в использовании территории и способов
ведения строительных работ. Это ставит новые задачи перед ин-
женерами-геологами, обязывает к внедрению новых методов, ап-»
паратуры и приборов как собственно инженерно-геологических,
так и привлекаемых из других областей знаний. Повышаются
требования со стороны проектировщиков, строителей и планирую-
щих организаций к полноте и надежности инженерно-геологиче-
ского обоснования. Охрана природы, земель и иные соображения
нередко обусловливают необходимость размещения сооружений
на более сложных и неблагоприятных территориях, что влияет на
содержание, объемы и выполнение изыскательских работ. Невы-
полнение при проведении изысканий основных положений мето-
6
дики приводило во многих случаях к недоизученности инженерно-
геологических условий, к неправильным проектным решениям,
удорожанию стоимости строительства и даже к катастрофическим
последствиям. Приведем некоторые примеры, иллюстрирующие
необходимость своевременных и целенаправленных изысканий.
На горном склоне горы Ток (Италия), являющемся левым
бортом водохранилища Вайонт, созданного арочной 265-метровой
плотиной, в 1963 г. возник грандиозный оползень (более
250 млн м3). Этот оползень заполнил водохранилище, выдавил во-
ду, которая перелилась через гребень плотины, образовав селевой
и водный паводки, вызвавшие разрушение г. Ланжерона, гибель
людей и огромный материальный ущерб. Как было установлено
в дальнейшем, инженерно-геологическое изучение и оценка устой-
чивости горного оползневого склона с учетом воздействия водо-
хранилища были недостаточными, что привело к катастрофе и не-
возможности дальнейшей эксплуатации плотины.
Неизученность воздействия фильтрационного потока на масси-
вы пород на участке бетонной плотины Мальпассе во Франции
привела в 1959 г. к ее разрушению.
Разработка углей в Ангренском районе (Узбекистан) шахт-
ным способом и газификацией, при которой нагнетается вода при
высоком давлении, без достаточного инженерно-геологического
изучения строения и устойчивости горного склона Кураминского
хребта привела к образованию оползня объемом более 700—
800 млн м3. Горный склон р. Ахангарана сложного геологическо-
го строения (Ниязов и др., 1978) находился в состоянии, близком
к предельному. Для повышения устойчивости склона и обеспече-
ния разработки углей создается контрбанкет в объеме более
60 млн м3 за счет вскрышных пород из близрасположенного карь-
ера, р. Ахангаран отводится в специальный канал, предусмотрены
дренажи и ведутся непрерывные многолетние обширные наблюде-
ния за оползневыми подвижками и режимом подземных вод.
Показателен оползень объемом более 55 млн м3 на борту карь-
ера плиоценовых лигнитов «Трояново-2» (Болгария). На стадии
изысканий были неправильно определены величины сопротивле-
ния сдвигу малолитифицированных плиоценовых лигнитизирован-
ных глин с влажностью до 50—60%. По завышенным показателям
трения и сцепления этих глин были рассчитаны и созданы более
крутые, чем предельно допустимые, борта глубокого карьера, в
результате чего в действующем карьере возник оползень.
Здания, улицы и другие сооружения во многих городах под-
верглись значительным повреждениям по разным причинам тех-
ногенного характера. Например, на территории г. Запорожье бо-
лее 900 зданий, возведенных на лёссах, было деформировано
вследствие просадок из-за значительного подъема уровня грунто-
вых вод.
Город Архангельск протягивается вдоль р. Сев. Двины на
35 км и занимает площадь 345 км2, из которой 75% заболочено за
счет природных факторов и утечек из водонесущих сетей. Здания,
7
возведенные на водоносных песчано-глинистых грунтах с торфом,
испытали осадки в 1—2, 3 и реже 4 м даже при свайном фунда-
менте (Котлов и др., 1972). Разрыв во времени между составле-
нием генплана планировки города, когда определяются районы и
характер застройки, и разработкой детальных схем инженерной
защиты и подготовки территории привел к строительству зданий
на неблагоприятных участках, к их последующим деформациям,
а также вызвал изменение планировки города и удорожание
строительства.
На погребенные речные долины, обычно выполненные песчано-
глинистыми водонасыщенными породами, в склонах которых раз-
виты древняя закарстованность и оползни, мощные зоны выветрин
вания и прослеживаются разломы, не обращалось должного вни-
мания при проведении инженерно-геологических изысканий для
городского, туннельного, гидротехнического и иного строитель-
ства. Наличие этих важных инженерно-геологических региональ-
ных закономерностей района можно предполагать исходя из об-
щих геологических представлений. Игнорирование указанных гео-
логических особенностей неоднократно создавало значительные
трудности в процессе строительства, приводило к необходимости
проведения дополнительных изысканий и мероприятий, а также к
сложным ситуациям в период эксплуатации сооружений. Примеры
недоучета негативных инженерно-геологических условий можно
найти в книге Д. Андерсона и К- Тригга (1981).
Нередко при проектировании и строительстве крупных иррига-
ционных каналов, водохранилищ, АЭС и других объектов явно
недостаточно учитывались экологические и экономические по-
следствия из-за непринятия мер инженерной защиты, ошибочных
априорных решений и малой изученности сложных природных ус-
ловий. Примерами являются отказы от строительства каналов
Волга—Чограй и Дунай—Днепр, Кавказской перевальной желез-
ной дороги, Одесской и Армянской АЭС, уменьшение количества
реакторов на Игналинской и Ровенской АЭС; отложено строитель-
ство многих ГЭС и других объектов. Недопустимо мало осущест-
вляется инженерная защита на водохранилищах от мелководий,
подтопления, оползней, просадок, переработки берегов и других
негативных явлений. Проектирование и выполнение инженерной
защиты от опасных геологических процессов существенно отстают
на территориях бурно расширяющихся городов и поселков, а так-
же при проложении автодорог, особенно в горных районах.
§ 1. СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗЫСКАНИЙ.
НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
Стадийность изысканий и связанных с ними тематических иссле-
дований определяется стадиями проектирования, строительства и
эксплуатации сооружений и территории. Стадийность — одно из
основных положений методики изысканий, в ней заложено приме-
нение системного подхода и возможности оптимизации в целях
8
получения необходимой информации при выполнении минималь-
ных объемов работ. Система «изыскания — проектирование» до-
полняется системой «проверка прогнозов и оценок — дополнитель-
ные исследования и проектирование — строительство и эксплуата-
ция объекта» Эти составляющие характеризуются тесными пря-
мыми и обратными связями, предполагают творческие совместные
решения, принимаемые геологом, проектировщиком и строителем
по возникающим проектно-строительным задачам; каждый участ-
ник должен обладать соответствующими правами и ответствен-
ностью. Творческое содружество геолога и проектировщика дол-
жно, в частности, состоять в регулярном обсуждении поэтапных
итогов изысканий, их влияния на проектные решения; новым про-
ектным идеям должно даваться инженерно-геологическое обосно-
вание или показываться сложность, а иногда нецелесообразность
их выполнения. Сказанное в полной мере относится к периоду
строительства, когда возникают «геологические неожиданности»,
почти неизбежные при возведении крупных сооружений в слож-
ных условиях.
Стадийность проектирования и соответственно изысканий пе-
риодически, по мере накопления опыта, пересматривается и совер-
шенствуется. Уточняются виды, количество и содержание проект-
ной и изыскательской документации, различной в зависимости от
характера инженерных сооружений, использования и защиты тер-
ритории, способов производства строительства и сложности геоло-
гических условий. Стадийность проектирования и изысканий рег-
ламентируется соответствующими нормативными документами.
Согласно принятым в 1981 и 1983 гг. общесоюзным решениям
установлены следующие стадии проектирования.
Стадия Схема, определяющая комплексы сооружений и рай-
оны их размещения, рациональное использование, инженерную и
экологическую защиту территории и народнохозяйственных объ-
ектов от опасных геологических и других процессов. В схемах
приближенно устанавливаются техническая возможность, эколо-
гическая и экономическая целесообразность строительства и иного
хозяйственного освоения территории, с ориентировочной сметной
стоимостью, которая, однако, не может быть превышена при по-
следующих проработках. Это условие налагает большую ответ-
ственность за рациональные решения и их обоснованность инже-
нерно-геологическими и другими материалами
На стадии Технико-экономическое обоснование (ТЭО) разра-
батываются альтернативные варианты уникальных и крупных
объектов, имеющих общегосударственное значение, перечень ко-
торых утверждается Госпланом и Госстроем СССР. В ТЭО более
детально рассматриваются основные вопросы Схемы примени-
тельно к конкретным народнохозяйственным объектам с обяза-
тельной проработкой вариантов проектных решений, выбираются
место, тип сооружений, методы производства строительных работ,
уточняются экологические последствия и стоимость, характер за-
щиты территории от опасных геологических процессов и геологи-
91
ческие аспекты охраны окружающей среды. К инженерно-геологи-
ческим материалам ТЭО предъявляются высокие требования, так
как утверждение ТЭО дает право приступить к строительству
вспомогательных сооружений — дорог, жилых поселков, баз снаб-
жения, заводов строительных материалов и т. п. Недоизученность
основных инженерно-геологических условий недопустима на ста-
дии ТЭО, так как ошибки с выбором месторасположения соору-
жений и их типов, просчеты с оценкой экологических последствий,
обнаружение при строительстве крупных оползней, карста, погре-
бенных долин, высокой сейсмичности, подвижных разломов и
иных геологических особенностей чреваты значительным услож-
нением конструкций, дополнительными мерами защиты, увеличе-
нием стоимости строительства и даже отказом от его осущест-
вления.
Стадия Проект. Большинство объектов и зданий типового
строительства проектируется на основе данных Схемы в одну ста-
дию, а в случаях сложных инженерно-геологических и других ус-
ловий и для ответственных сооружений разрешается вторая до-
полнительная стадия — рабочая документация-, каждая из них
должна иметь детальное обоснование изыскательскими и иными
материалами. В градостроительстве сложилась несколько иная
последовательность проектирования ввиду разнообразных объек-
тов города, транспортных и иных коммуникаций, влияния на окру-
жающую среду, создания зеленых пригородных и резервных зон,
инженерной защиты территории и т. д.:
— районная планировка и застройка территории со стадиями
Схема и Проект;
— генеральный план планировки и застройки или реконструк-
ции города с подразделением на Схему и Проект при населении
500 тыс. и более;
— проект детального плана планировки и застройки части
крупного города, особенно при сложных природных условиях;
— проекты отдельных объектов и сооружений города, для ко-
торых в случаях высокой стоимости и сложности допускается раз-
работка ТЭО и рабочей документации.
Схемы по содержанию и назначению разнообразны, например
при необходимости обособляется проектирование схем и генераль-
ных планов групп предприятий с общими объектами (промыш-
ленные узлы), которое должно осуществляться в увязке с разра-
боткой генплана города как единого промышленного, градострои-
тельного и транспортного комплекса с соответствующим инже-
нерно-геологическим и иным обоснованием. Для защиты террито-
рий и объектов от опасных геологических процессов составляются
схемы генеральные и детальные при разработке соответственно
проектов районных планировок и генеральных и детальных пла-
нов планировки городов при сложных природных условиях, а так-
же специальные для определения системы неотложных мероприя-
тий по защите от селевых потоков, морской абразии и т. п. Эти
схемы следует рассматривать как градообразующие факторы при
10
выборе площадей для застройки, так как осуществление меро-
приятий по инженерной защите может значительно отразиться на
стоимости гектара застройки.
Изыскания для обоснования проектирования гидротехниче-
ских, транспортных, подземных и других крупных сооружений
проводятся по стадиям: Схема — ТЭО — Проект — рабочая доку-
ментация и регламентируются нормативными документами, дей-
ствующими в данной отрасли строительства. Соблюдение стадий-
ности при проектировании особенно крупных объектов в сложной
природной обстановке позволяет избежать ошибок при решении
принципиальных вопросов, способствует рациональной (систем-
ной) последовательности изысканий и в конечном итоге дает эко-
номию средств и времени.
Нормативные документы. По видам, назначению, области при-
менения и утверждающей инстанции нормативные документы по
инженерно-геологическим изысканиям весьма разнообразны. Они
подразделяются на: общесоюзные сборники норм и правил
(СНиПы), инструкции (ВСН) и государственные стандарты
(ГОСТы), которые имеют единую нумерацию и утверждаются,
как правило, Госстроем СССР; ведомственные инструкции и ме-
тодические руководства (пособия), предназначенные для выпол-
нения изысканий в отдельной отрасли строительства или народ-
ного хозяйства и утверждаемые соответствующими министерства-
ми или ведомствами.
Кроме СНиПов, инструкций и пособий, являющихся дополне-
ниями к нормативным документам, действует система ГОСТов для
отдельных видов работ в целях стандартизации их выполнения и
возможности сопоставления результатов. По мере развития науч-
ных исследований, обобщения опыта изысканий и проектных ре-
шений разрабатываются новые виды нормативных документов, а
существующие дополняются и совершенствуются.
СНиПы, ВСН и инструкции обязательны при проведении изыс-
каний и проектировании сооружений всеми организациями стра-
ны. Их выпуску предшествует длительная подготовительная ра-
бота квалифицированных специалистов и ученых в данной обла-
сти изысканий и проектирования с многократным обсуждением.
В этих документах, естественно, отражается опыт выполненных
изысканий для построенных сооружений и типизированных инже-
нерно-геологических условий. При изысканиях и проектировании
новых уникальных и внеклассных сооружений (высоких плотин,
протяженных туннелей, АЭС, подземных объектов, глубоких карь-
еров, а также реконструкции крупных городов) увеличивается от-
ветственность и усложняется воздействие па геологическую сре-
ду, которая всегда различна. Поэтому необходим творческий под-
ход к использованию рекомендаций и нормативных документов.
В подобных случаях разрабатывается и обосновывается специаль-
ная программа инженерно-геологических изысканий, которая со-
гласуется с проектантами и утверждается на соответствующих на-
учно-технических советах. В более полной мере нормативные до-
11
кументы обязательны для обоснования массового строительства
линейных и ирригационных объектов, где возможна типизация
инженерно-геологических условий, а оптимизация изысканий обес-
печит максимальный эффект.
Различного вида инструкции и руководства по выполнению от-
дельных видов работ необходимо стандартизировать, иначе нель-
зя сопоставлять и использовать их результаты. Однако при прове-
дении инженерно-геологических изысканий как для уникальных
сооружений, так и для объектов типового строительства, а также
при выполнении сложных натурных опытов, режимных наблюде-
ний и других видов работ всегда следует помнить о поставленных
задачах и исходить из того, что геологические исследования явля-
ются творческим процессом, научным познанием изменяющейся
геологической среды, требующим применения научно обоснован-
ных методик и постоянных контактов с инженером-проектантом.
При проведении изысканий и проектировании крупных соору-
жений в сложных условиях большое значение на всех этапах име-
ет квалифицированная внутренняя, ведомственная и государ-
ственная экспертиза — обсуждение программ, предварительных и
окончательных результатов исследований и принимаемых принци-
пиальных решений.
§ 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В докладе Г. К- Бондарика и Г. С. Золотарева на Всесоюзной
конференции 1980 г. по инженерной геологии были сформулиро-
ваны теоретические положения инженерно-геологических исследо-
ваний. Еще в 1935 г. Ф. П. СавареНский отмечал, что каждое ис-
следование должно отвечать точно поставленной задаче и что
очень большое количество данных, но собранных нецеленаправ-
ленно, не имеет существенного значения для проектирования и
обременительно для геолога. Методика исследований основывает-
ся на соблюдении следующих принципиальных положений.
1. Принципа цели; вопросы, содержание (виды, объемы), по-
следовательность и методы полевых, экспериментальных (натур-
ных и лабораторных) работ и теоретическое обоснование инже-
нерно-геологических изысканий на всех этапах и для решения лю-
бых задач определяются:
— проектируемыми инженерными сооружениями, их типами,
размещением и уникальностью, способами производства строи-
тельных работ, характером использования, инженерной и эколо-
гической защитой территории;
— сложностью инженерно-геологических условий;
— стадиями: проектирование, строительство и эксплуатация
сооружений и территорий.
2. Принципа оптимума, который предполагает, что характер и
количество инженерно-геологической информации должны быть
качественными и достаточными для конкретного этапа проекти-
12
рования, но получены при минимальных затратах и объемах вы-
полненных работ. Это, в частности, обусловливается правильной
постановкой задач исследований, учетом региональных геологиче-
ских закономерностей, применением в надлежащей последова-
тельности современных методов. Важно не «число» (разведочных
скважин, анализов, опытов), а «умение» в выборе видов работ, в
их размещении, выполнении, которое определяет эффективность и
надежность результатов исследований.
3. Принципа оправданности в известной мере «разумного гео-
логического риска» в инженерно-геологических оценках и прогно-
зах, обусловленного часто практической невозможностью выявле-
ния всех деталей («геологических неожиданностей») инженерно-
геологической обстановки, которые существенно не влияют на ре-
шения основных задач проектирования и строительства сооруже-
ний или освоения территории, а в малой степени изменяют кон-
струкцию, объемы защитных и иных мероприятий, которые надо
дополнительно установить и осуществить в процессе строитель-
ства. Специальные инженерно-геологические наблюдения должны
подтвердить правильность проектных решений, способов ведения
строительства и, следовательно, надежность сооружений, а также
обосновать дополнительные меры.
4. Принципа обязательности координированной и равноправной
деятельности и совместных решений инженера-геолога, проекти-
ровщика и строителя, а^также соответствующей их ответственно-
сти. Несогласованность программы инженерно-геологических
изысканий, разобщенность геолога и инженера при принятии ре-
шений о местоположении и типах сооружений, о мерах защиты
объектов или территории, а также стремление «переложить» от-
ветственность в случае критических ситуаций на другого приво-
дит только к отрицательным результатам.
5. Принципа обобщения результатов инженерно-геологических
исследований (полевых, опытных, экспериментальных, теоретиче-
ских) в компактном и наглядном для использования виде. Основ-
ные итоги исследований следует отражать в графических мате-
риалах— инженерно-геологических картах, разрезах, корреляци-
онных и иных графиках, а также в виде специализированных ин-
женерно-геологических моделей и геомеханических схем, непо-
средственно используемых для расчетов конструкций и устойчи-
вости сооружений или территории. Графические материалы и
текст (отчет) с результатами исследований должны в конкретной
форме содержать инженерно-геологическое обоснование постав-
ленной проектно-строительной задачи.
6. Принципа использования современных приборов, разведоч-
ной и иной техники, в том числе ЭВМ, новых методов оценки ин-
женерно-геологических условий, а также новой технологии при
проведении разведочных, опытных, режимных, эксперименталь-
ных и камеральных работ должно обеспечить качество материа-
лов изысканий.
13
Методика инженерно-геологических исследований в научном
отношении опирается:
— на опыт предшествующих изысканий и решения инженерно-
геологических проблем строительства, обобщенный в виде теоре-
тических положений и нормативных документов;
— на представление о пространственно-временной изменчиво-
сти инженерно-геологических условий, в том числе под влиянием,
техногенных факторов, позволяющих обосновать при региональ-
ном изучении территории и па первых этапах изысканий размеще-
ние точек наблюдений геофизических, разведочных и других ра-
бот;
— на положение, что главной задачей является простран-
ственно-временной количественный прогноз инженерно-геологиче-
ских процессов и обоснование защитных инженерных и других
мероприятий;
— на положение, что после выбора места сооружения и его
параметров, конструкции и распределения нагрузок виды, объемы
и точки размещения работ устанавливают, руководствуясь геоло-
гическими, инженерными и экологическими критериями;
— на условие, что инженерно-геологические изыскания для
проектирования, строительства или решения иной задачи являют-
ся единым творческим и технологическим процессом, характер
которого определяется задачами проектирования и сложностью
природной обстановки.
В соответствии с вышеназванными стадиями проектирования
сооружений и защиты территории материалы изысканий обобща-
ются для инженерно-геологического обоснования:
— технической возможности, экономической и экологической,
целесообразности строительства в данном районе;
— выбора участков (или района) размещения предполагае-
мых сооружений или систем защитных мер в конкурирующих ва-
риантах;
— компоновки зданий и сооружений на выбранной площади, а
также выделения площадок для отдельных объектов при линей-
ном строительстве;
— устойчивости и надежности конструкции конкретных соору-
жений, проектов производства строительных работ и защитных
мероприятий на основе окончательных расчетов.
При переходе от начальных стадий изысканий к завершаю-
щим: сокращаются размеры изучаемой геологической среды (тер-
ритории); конкретизируются типы сооружений и способы ведения
строительства; возрастают требования к точности и достоверно-
сти инженерно-геологических оценок, прогнозов и рекомендаций;
усложняются виды и объемы инженерно-геологических и других
специальных работ; возрастают роль и ответственность за коли-
чественные временные прогнозы и оценки как отдельных компо-
нентов, так и в целом системы «среда — сооружения».
В методике инженерно-геологических изысканий вопросы оп-
тимизации, соблюдения принципов «цели» и «оптимума», получе-
14
ния необходимой информации при минимальных объемах работ
имеют особое значение. Как отмечалось, завышенный объем
изыскательских работ приводит к неоправданным затратам, а не-
достаток инженерно-геологических данных, требуемых для реше-
ния конкретной задачи проектирования и строительства, недопу-
стим и иногда опасен. Без достаточной информации нельзя дать
правильное инженерно-геологическое заключение, а проектиров-
щик не может принять верное проектное решение. Опасность не-
доисследования территории в инженерно-геологическом отноше-
нии и отсутствие критериев оптимума, видимо, являются одной из
причин, заставляющей стремиться к большому объему информа-
ции, часть которой заведомо не нужна и накапливается на «вся-
кий случай».
Изменчивость инженерно-геологических условий учитывается
в методике изысканий посредством выделения категории сложно-
сти, которая через нормативные документы влияет на виды и объ-
емы работ. Существующие рекомендации по отнесению изучаемой
территории к соответствующей категории сложности инженерно-
геологических условий не являются строгими. Теория простран-
ственной изменчивости компонентов инженерно-геологических ус-
ловий позволяет более объективно решать эту задачу с учетом ха-
рактера проектируемых сооружений, использования и защиты тер-
ритории. В сложности инженерно-геологических условий отра-
жается структура геологических полей составляющих компонен-
тов; по их характеристикам возможно количественно определить
категорию сложности территории, рациональные виды и объемы
инженерно-геологических работ. Пространственное расположение
точек исследования должно учитывать как изменчивость гео-
логической среды, так и требования проектирования (Бонда-
рик, 1981).
При региональном изучении территории на начальной стадии
изысканий и для обеспечения массового строительства однотип-
ных объектов руководствуются следующими традиционными гео-
логическими правилами: а) каждый комплекс пород, геоморфоло-
гический элемент и в его пределах грунтовые воды должны быть
охарактеризованы не менее чем одной выработкой или иной до-
стоверной точкой картирования; б) для уточнения соотношений
залегания пород, слагающих различные геоморфологические эле-
менты, выработки следует размещать на участках их сопряжения;
в) створы точек исследований следует располагать вкрест про-
стирания пород, поперек речных долин, нормально по отношению
к длинной оси вытянутых геологических тел или тектонических
структур и учитывать направление движения подземных вод. Та-
кое размещение точек наблюдений отвечает задачам региональ-
ного освещения инженерно-геологических условий на больших
площадях.
На детальных стадиях, когда нужно выбирать наиболее благо-
приятный вариант типов размещения сооружений в пределах вы-
бранной площади и методов ведения строительства, необходимо
15
соблюдение других критериев исследований. Они должны учиты-
вать изменчивость инженерно-геологических условий, требуемую
точность и надежность инженерно-геологических данных и поэто-
му являются геолого-математическими (Бондарик, 1971). Глав-
нейшие среди геолого-математических принципов — принципы
равноточности, равнопредставительности и локализации систем
опробования. Система ориентированных по главным направле-
ниям изменчивости точек исследования (выработок, мест полевых
испытаний и т. д.), рассчитанная с учетом рассеяния компонентов
инженерно-геологических условий и требуемого доверительного
уровня, обеспечивает получение оптимума инженерно-геологиче-
ских данных нужной точности и детальности. Когда инженерно-
геологические работы сосредоточиваются в основном в пределах
предполагаемой сферы взаимодействия геологической среды с со-
оружением, точки исследований размещают с учетом расположе-
ния, глубины заложения фундаментов и типа проектируемого со-
оружения, изменения напряжений под его влиянием и характера
защитных мероприятий.
Стремясь к использованию преимуществ, которые дает геоло-
го-математический подход, уменьшающий субъективность пр»
определении видов, объемов и размещения инженерно-геологиче-
ских работ, необходимо различать задачи изысканий для обосно-
вания массового строительства однохарактерных объектов (сель-
ское, линейное, поселковое, мелиоративное) и для уникальных со-
оружений (например, для высоких плотин, ГЭС, ГАЭС, АЭС
и т. п.). Для вторых типизация инженерно-геологических условий,
обычно существенно разных в каждом конкретном районе, имеет
ограниченное значение, так как задачи и содержание изысканий
определяются преимущественно типом и характером воздействия
новых нестандартных сооружений. В подобных случаях разраба-
тываются новые или временные нормативы для проектирования и
изысканий, отличающиеся от существующих.
Разнообразие и сложность инженерно-геологических условий
исключают полную стандартизацию методов при изысканиях для
сооружений уникальных и первого класса. Центральное положе-
ние при изысканиях и проектировании этих сооружений занимают
конкретные вопросы изучения: строения, тектонических структур
и их подвижности, трещиноватости, сейсмичности, воздействия
фильтрационных потоков, оползней и обвалов, карста, физико-ме-
ханических свойств и напряженного состояния пород и др. При
проектировании и изысканиях, например, для промышленно-город-
ского или гидротехнического строительства большинство вопросов
изучаются и рассматриваются на всех этапах, но с разной деталь-
ностью и с применением различных методов. Для (проекта район-
ной планировки и застройки территории достаточно оценить несу-
щую способность пород в основании зданий по нормативным доку-
ментам с учетом опыта строительства и состояния сооружений в
данном районе; иное положение при проектировании крупного го-
родского здания.
16
Для плотин, туннелей, АЭС и других уникальных объектов во-
просы оценки дифференцированных движений неотектонических
структур, современных подвижек по разломам, устойчивости вы-
соких обвально-оползневых склонов, кор выветривания, погребен-
ных речных долин, водопроницаемости и механических свойств
массивов пород важны на всех стадиях изысканий, но конкретные
задачи, содержание и методы работ будут различными. Если при
разработке Схемы и ТЭО материалы инженерно-геологических
изысканий предполагают общую характеристику геологической
среды в целях выбора наилучшего местоположения объектов,
сравнения вариантов и определения их стоимости, то на стадии
Проекта необходимо обосновать меры по защите сооружений и
территории, по укреплению массивов пород и т. п. На стадии Про-
екта и рабочей документации возникают дополнительные задачи,
например по способам проходки глубоких котлованов и упрочне-
ния пород в основании сооружений, по водопонижению, которые
на начальных стадиях не являются предметом специального изу-
чения, так как еще не выбраны место, тип сооружения и глубина
его заложения. Вопросы специализированного литологического
изучения разрезов, расчленения отложений на пачки, тектониче-
ского строения и выделения структур и других компонентов сре-
ды, важных в инженерно-геологическом отношении, разрабатыва-
ются на начальных этапах изысканий и уточняются в последую-
щем.
Создать всеобъемлющую методику инженерно-геологических
изысканий трудно и нецелесообразно; но использование единой
методологии исследований обязательно; надо определять принци-
пиальные направления и главные вопросы программ исследований,
для чего имеется достаточный опыт. Требуется творческий подход
в обосновании видов, объемов и последовательности выполнения
изыскательских работ по индивидуальным программам исходя из
конкретных задач проектирования и реальной сложности геологи-
ческих и гидрогеологических условий данного района.
Методы обработки инженерно-геологической информации пред-
ставляют важный раздел методики изысканий для всех видов
строительства. Модель, отражающая структуру и свойства объек-
та, нужно рассматривать как основу для прогноза инженерно-гео-
логических процессов. В региональной инженерной геологии вы-
полнены теоретические и методические проработки, позволяющие
реализовать статические и временные модели компонентов инже-
нерно-геологических условий (модели геологических полей ком-
понентов, по Г. К- Бондарику). Методика составления и содержа-
ние инженерно-геологических моделей разного назначения прора-
ботаны недостаточно, несмотря на их важность, ибо конечной за-
дачей изысканий является прогноз инженерно-геологических про-
цессов и обоснование мер по устойчивости территорий и соору-
жений.
Оптимизации инженерно-геологических изысканий посвящено
много работ, но проблема далека от удовлетворительного реше-
17
ния из-за ее многофакторности и сложности; требуются теорети-
ческие исследования, выявляющие закономерности пространствен-
ного изменения компонентов инженерно-геологических условий и
другие разработки. Для успешного решения задач оптимизации
изысканий необходимы формализация понятий, использование си-
стемного подхода и математических методов для вариантной об-
работки на ЭВМ. Следует различать оптимизацию:
а) рациональной методики изысканий в целях выбора наилуч-
шего по результатам и затратам варианта решения поставленных
задач, включая определение состава изыскательских работ, их
объемов, последовательности и технологии осуществления, напри-
мер инженерно-геологической съемки, бурения, опытных работ,
опробования разрезов и т. д.;
б) методики комплекса изысканий, наиболее эффективного
выполнения отдельных задач по изучению компонентов геологиче-
ской среды, установлению коррелятивных связей между ними,
позволяющих заменять сложные работы менее трудоемкими.
Наиболее сложна первая задача, в которой в полной мере
должен действовать принцип обратной связи системы «геологиче-
ская среда — сооружения». Оптимизация изысканий и получение
необходимых результатов связаны с разработкой: а) автоматизи-
рованного сбора и обработки исходной информации; б) адекват-
ных моделей — геологического строения и процессов объекта, а
также технологии выполнения работ и в) усовершенствованных
методов математического моделирования применительно к по-
ставленной задаче. В работе С. Е. Гречищева, В. В. Кюнтцеля,
Ю. А. Сагайдачного (1981) приводятся соображения по определе-
нию необходимой детальности изысканий (например, геологиче-
ской съемки) трассы для линейных сооружений и показано, что
увеличение площади или масштаба съемки по сравнению с опти-
мальным не дает дополнительной информации, необходимой для
решения задач проектирования на данной стадии. Авторы рас-
сматривают теорию планирования экспериментов применительно
к задачам оптимизации изучения геологических процессов и
свойств пород при наличии нескольких взаимовлияющих факто-
ров или источника неоднородностей. Рекомендуется пользоваться
методом блочного планирования со схемой ортогональных латин-
ских квадратов, в которой определяющие факторы размещаются
по горизонтали и вертикали с обязательным условием — рандо-
мизацией блоков.
Эффективность оптимизации некоторых видов изыскательских
работ зависит от соблюдения принципа «адаптации», предпола-
гающего последовательное уточнение программы исследований по
мере ее выполнения и получения предварительных результатов, а
также в результате уточнения проектных решений (Рац, 1980).
Наибольшая результативность оптимизации изысканий имеет ме-
сто, когда рекомендации геолога полностью используются в про-
екте, который осуществляется без отступлений. Реально решение
одной из задач оптимизации — снижение стоимости изысканий и
18
строительства путем выполнения минимально необходимого коли-
чества испытаний, например определения показателей механиче-
ских свойств пород при обеспечении их достоверности Более вы-
сокие значения прочности и модулей деформаций пород позволя-
ют уменьшить параметры фундаментов сооружений и облегчить
их конструкцию, что приводит к снижению стоимости строитель-
ства. Однако есть предел влияния показателей свойств пород на
стоимость сооружения, который надо учитывать при проведении
изысканий. Возможны случаи, когда простейшими испытаниями
пород устанавливают минимально-феальные значения показате-
лей, которые с запасом обеспечивают устойчивость массивов и со-
оружений. Следовательно, нет необходимости выполнять трудоем-
кие и значительной стоимости натурные или модельные исследо-
вания по уточнению их величин.
Надежное решение проектно-строительной задачи и снижение
стоимости изысканий будут обеспечены без проведения сложных
работ. Сказанное относится и к разведочным работам — к коли-
честву, размещению и глубине буровых скважин и других выра-
боток— при условии, что известны или установлены изменчивость
геологической среды и ее основные особенности. Очевидно, нет
необходимости располагать скважины по контуру, например, го-
родских или иных зданий ограниченной площади в условиях ли-
тологически выдержанных слоев пород; можно задать один створ.
Однако в случае неоднородности пород основания, наличия линз
торфа, илов и плывунных песков целесообразно увеличение коли-
чества выработок и других испытаний для обеспечения надежно-
сти результатов изысканий. Наибольшие трудности для оптими-
зации представляют комплексные изыскания для гидротехниче-
ских и подземных сооружений.
Целесообразность математического моделирования геологиче-
ских процессов, методики изысканий в целом и отдельных видов
работ, их составляющих, общепризнана; оно обладает возможно-
стями сопоставления вариантов при разных исходных параметрах
и нахождения в определенных случаях оптимального решения.
Однако, как справедливо отмечают М. В. Рац, С. Е. Гречищев и
другие, возможности математического моделирования в изыска-
ниях для успешного практического применения пока ограничены.
Например, для прогноза промерзания и оттаивания следует учи-
тывать одновременно процессы теплообмена, влагопереноса и
разрушения грунтов, физическая модель которых и ее математи-
ческое выражение далеки от завершения, и требуются дальнейшие
комплексные исследования.
В большинстве случаев инженерно-геологические изыскания
под проектируемые индивидуальные объекты содержат новые за-
дачи, и для их решения применяются новые методы; геологиче-
ские и иные условия районов, в которых ранее проводились рабо-
ты, значительно отличаются от условий, в которых намечаются
работы. При большой сложности геологической среды, различной
на разных участках, неоднородность строения и другие условия
19
становятся полностью известными по завершении изысканий, а
постановка задач по их планированию требуется до начала изыс-
каний. Это обусловливает ограниченные возможности оптимиза-
ции новых комплексных изысканий в сложных условиях, но поз-
воляет дать ретроспективный анализ результатов ранее выпол-
ненных работ с обязательным критическим использованием опыта
исследований.
Важным положением методики изысканий является создание
предварительных геологических гипотез, моделей строения и про-
цессов для обоснования рациональной методики исследований с
обязательной корректировкой по мере их выполнения. В связи с
этим особое значение приобретают инженерно-геологические съем-
ки разных масштабов: а) 200 000—25 000 для учета региональных
закономерностей геологической среды на стадиях Схемы и ТЭО и
более обоснованного выбора размещения объектов строительства
и при сопоставлении вариантов и б) 10 000—1000 для обоснова-
ния «посадки» сооружений, интерпретации разведочных и опыт-
ных работ, выбора пунктов и видов режимных наблюдений за
геологическими процессами и подземными водами и для решения
других задач. Недоучет значения инженерно-геологических
съемок — одного из ведущих методов исследований — нередко
приводил к ошибкам.
§ 3. ПРОГНОЗ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ; ОЦЕНКА МАССИВОВ ПОРОД
И ТЕРРИТОРИИ
Прогноз и оценка современных геологических процессов, разви-
вающихся под влиянием природных и техногенных факторов, не-
гативно воздействующих на территорию и сооружения, осущест-
вляются на всех стадиях изысканий, но с разной детальностью,
направленностью и различными методами в зависимости от задач
исследований. Прогноз и оценка процессов и изменений геологи-
ческой среды в целом необходимы для обоснования мероприятий
по регулированию их развития и уменьшению отрицательного
воздействия средствами инженерной защиты. Прогноз необходи-
мо основывать на системном подходе, выполняя схематизацию ин-
женерно-геологических карт и разрезов, типизацию территории,
отбор исходных данных о породах и подземных водах для обосно-
вания методики расчетов и интерпретации их результатов. Один
из важных этапов прогноза — составление инженерно-геологиче-
ской модели строения изучаемой территории и модели развития
процессов, а на их основе геомеханических схем для расчетов от-
дельных факторов или процесса в целом.
Прогноз геологических процессов является широким понятием
и включает разные методы: анализ и обобщение геологических и
иных фактических данных; расчеты развития процесса, в том чис-
ле по отдельным стадиям; эксперименты на моделях как процес-
са в целом, так и его факторов; вероятностно-статистические спо-
собы; использование опыта и экспертные оценки и др. Целесооб-
20
разность и эффективность применения отдельных методов или их
сочетаний зависят от характерами степени изученности процесса,
от поставленной задачи и детальности прогноза, от соответствия
теоретической основы метода сущности и закономерностям оцени-
ваемого процесса. Все это требует творческого подхода при вы-
боре методов, интерпретации результатов расчетов и прогнозов, а
в сложных случаях применения нескольких методов. В задачи
прогнозов входит определение характера и возможности возник-
новения процессов, мест и вероятного времени их образования,
-механизма развития и изменения по стадиям, интенсивности (ско-
рости), объемов (размеров), амплитуды смещения пород, вовлек
ченных в деформацию. Достоверность прогнозов ограничена, они
практически всегда являются приближенными и вероятностными
из-за многофакторности процессов, недостаточной точности исход-
ных характеристик, трудностей их получения и неполного соот-
ветствия механизма реального процесса теоретической схеме, ле-
жащей в основе расчетного метода. Для практических задач необ-
ходимо указывать пределы вероятных колебаний прогнозных
оценок.
Прогнозы геологических и инженерно-геологических процессов
классифицируют по нескольким признакам, подразделяя на сле-
дующие виды.
По. времени на: 1) долгосрочные, с указанием ориентировоч-
ной продолжительности, с учетом сроков эксплуатации сооружен
иий и т. п.; 2) краткосрочные (годы, месяцы), соизмеримые со
строительством сооружения при значительной активизации про-
цессов; 3) экстренные — предупреждения, выдаваемые за несколь-
ко дней и часов по симптомам развивающегося процесса, по дан-
ным сети наблюдательных приборов и другим, свидетельствую-
щим о возникновении критической ситуации и о необходимости
принятия неотложных мер по временной защите сооружений, эва-
куации людей и ценностей, прекращению эксплуатации объектов
и движения по дорогам и др.
По достоверности на: 1) ориентировочные, 2) уточненные, при-
ближенно-количественные, 3) экспертные, качественные, уровень
которых зависит от квалификации и опыта экспертов. Прогнозы и
•включенные в них расчеты основываются на детерминированных
и вероятностных моделях и схемах. Ориентировочные прогнозы
выполняются для региональных характеристик процессов и пред-
назначаются для оценки инженерно-геологических условий на на-
чальных стадиях проектирования сооружений, освоения террито-
рии и охраны окружающей среды; они базируются преимущест-
венно на материалах специального геологического картирования
и на имеющемся опыте строительства. Уточненные прогнозы дол-
жны быть максимально достоверными и основываться на резуль-
татах детальных исследований — разведочных, картировочных,
натурных, опытных, режимных наблюдений, экспериментально-ла-
бораторных и др. Они осуществляются на стадиях проекта ответ-
ственных крупных сооружений, а также для обоснования ком-
21
плекса мер по защите территории и объектов от опасных геологи-
ческих процессов. Достоверность прогнозов обусловливается объ-
ективностью используемых методов, которые должны основывать-
ся на установленных закономерностях развития процессов и яв-
лений, коррелятивных и реже функциональных связях с главными
факторами, на соблюдении положений системного анализа. Ополз-
невые, селевые, карстовые, переработка берегов водохранилищ и
другие геологические процессы, несмотря на их многофакторность
и временную изменчивость, являются преимущественно детерми-
нированными, с некоторыми отклонениями, унаследованными, не-
обратимыми и характеризуются куммулятивным эффектом. При
решении конкретных задач для обоснования выбора места и типа
сооружения, вопросов об инженерной защите территории для
предотвращения катастрофических последствий от опасных геоло-
гических процессов целесообразны прогнозы по детальным детер-
минированным схемам. Однако не следует отказываться от верот
ятностно-статистических методов прогноза геологических процес-
сов, несмотря на относительную неопределенность их результатов.
Случайные компоненты среды или факторы могут иметь место;
вопрос заключается в разумном сочетании методов прогноза по
детерминированным и стохастическим моделям при региональных
и локальных исследованиях; учитывая задачи практики, следует
отдавать предпочтение результатам расчетов и прогнозов по де-
терминированным методам.
По площади проявления на: 1) глобальные, 2) региональные и
3) локальные (Бондарик, 1972; Емельянова, 1975). Региональный
прогноз геологических и инженерно-геологических процессов пред-
полагает установление возможности их возникновения, последую-
щего развития, интенсивности, масштабности и других парамет-
ров под влиянием взаимообусловленных природных и техноген-
ных факторов в пределах крупного района (области, территории),
однотипного по геологическому строению, геоморфологии и гидро-
геологическим условиям. При региональных прогнозах обычно не
имеется возможности указать конкретные типы, места и парамет-
ры геологических процессов и явлений; дается их фоновая харак-
теристика с общими закономерностями развития, используемая
для инженерно-геологических оценок крупных территорий и обоб-
щения материалов. Локальные прогнозы относятся к определен-
ным типам склоновых и других процессов, к местам их действия
и чаще во взаимодействии с конкретными сооружениями, произ-
водством строительных работ и использованием территории. Ло-
кальные прогнозы имеют большее практическое значение, обычно
осуществляются по нескольким методам, глубже оценивают при-
роду и механизм процессов. При прогнозах следует широко ис-
пользовать разные критерии (предельные значения), при дости-
жении которых начинается активизация процесса (например, для
оползней и просадок в лёссах — влажность, прочность, мощность
толщи, высота и крутизна склонов, градиенты подземных вод
и т. п.); коррелятивные связи между критериальными значениями.
22
выявленные при инженерно-геологических съемках и режимных
наблюдениях, также можно рассматривать как признаки для про-
гноза.
Локальные прогнозы необходимо основывать на детерминиро^
ванных моделях; стохастические модели обычно используются для
региональных и глобальных прогнозов, для определения пример-
ной периодичности процессов и в некоторых других случаях. Для
применения детерминированных моделей требуются более глубо-
кое изучение закономерностей процессов и объективные исходные
данные. Прогнозы геологических и инженерно-геологических про-
цессов целесообразно выполнять для разных стадий их развития:
1) подготовки, занимающей иногда длительное время; 2) разви-
тия и активизации; 3) затухания, включая трансформацию в дру-
гие процессы.
При любых видах и детальности прогнозы должны содержать
следующие основные характеристики с разной степенью подроб-
ности:
— генетический тип прогнозируемого процесса и механизм его
развития;
— место возникновения, протекания и завершения развития
процесса, особенно в тех случаях, когда горные породы переме-
щаются на значительные расстояния;
— время возникновения и последующего развития процесса с
анализом факторов и предшествующей истории, продолжитель-
ность, непрерывность или периодичность действия;
— интенсивность (скорость) развития процесса;
— параметры областей действия процесса и возникших явле-
ний— их размеры, объемы, вновь образованные накопления и
формы рельефа.
Применительно к оползневым процессам Е. П. Емельянова
(1972), В. В. Кюнтцель (1980) и другие используют понятия «рит-
мичность» и «цикличность». Ритмичность — это закономерная по-
вторяемость массовой активизации процесса в пределах какой-то
территории под воздействием определенной совокупности природ-
ных и техногенных факторов. Ритм — отрезок времени между за-
кономерно повторяющимися экстремальными значениями активи-
зации процесса. Цикличность — проявление в одном и том же рай-
оне или участке процесса, оцениваемого временем прохождения
всех стадий его развития — подготовки, активизации и затухания.
Указанные понятия могут быть использованы при характеристике
разных геологических процессов; сложнее обстоит дело с их при-
менением к инженерно-геологическим процессам, так как время,
интенсивность и площади действия техногенных факторов устано-
вить труднее.
Методы прогнозов геологических и инженерно-геологических
процессов многочисленны, и их можно объединить в группы: экс-
пертные, аналогий, экспериментального (физического) моделиро-
вания и расчетные — детерминированные и вероятностные (стати-
стические). В зависимости от характера процессов и задач приме-
23
няются многочисленные модификации методов, особенно расчет-
ных. Среди методов аналогий в приложении к прогнозу оползней
и устойчивости склонов широко применяются сравнительно-геоло-
гический (Золотарев, 1961), сравнительный (Емельянова, 1971),
историко-геологический (Попов, 1959 и др.), природных аналогов;
(Розовский, Зелинский, 1975). Их общая характеристика для про-
гнозирования оползней и устойчивости склонов изложена в главе
IX учебника Г. С. Золотарева «Инженерная геодинамика» (1983)
и в трудах многих авторов.
На методе природных аналогов следует остановиться более
подробно, так как он применим не только для прогноза перера-
ботки берегов" водохранилищ (Розовский, 1962, 1975), но и для
прогноза любого геологического процесса, если накоплены соот-
Таблица 1.1
Теоремы подобия и их интерпретация (по Л. Б. Розовскому, И. П. Зелинскому, 1975)
Теоремы физического подобия Интерпретация теорем для геологического подобия
Первая (прямая). Если физические процессы подобны друг другу, то их одноименные критерии подобия имеют одинаковую величину Вторая. Уравнения связи между характеристиками явлений могут быть преобразованы так, чтобы они состоя- ли из критериев подобия, и тогда они являются «критериальными уравнени- ями», численно равными для всех по- добных явлений Третья (обратная). Чтобы физи- ческие процессы были подобны друг другу, необходимо и достаточно, чтобы они были качественно одинаковыми, а их одноименные определяющие крите- рии подобия имели одинаковые величи- ны У подобных геологических процессов, явлений и образований некоторые характе- ристики совпадают (инварианты), другие изменяются согласованно (коварианты), третьи не совпадают и изменяются несог- ласованно (моноварианты)' Сходство критериев геологического подобия означает подобие явлений, про- цессов, образований Подобные геологические явления, про- цессы и образования характеризуются ка- чественными оценками или уравнениями, в которые входят критерии геологическо- го подобия. Такие уравнения являются прогнозными в пределах границ, между которыми влияние моноваряант не установ- лено Чтобы геологические процессы, явле- ния и образования были подобны, необхо- димо и достаточно, чтобы они были ка- чественно одинаковыми, характеризовались одними и теми же критериями подобия и. имели бы общие условия однозначности
ветствующие исходные данные, отражающие природу, механизм и
интенсивность процесса. Метод основан на использовании теории
физического подобия и ее применении к геологическим процессам.
В табл. 1.1 приведены теоремы физического подобия и их интер-
претация для геологического подобия; на основе второго опреде-
ляются представительные критерии для «аналогов» (а) и для
«оцениваемых объектов» (о).
24
Применительно к задаче прогноза переработки берегов
Л. Б. Розовский предлагает записывать представительные показа-
тели и прогнозируемые величины в виде следующего уравнения —
степенного одночлена:
l=hixyxyqz93f4hIMZor',
где hi, yi и т. д. — показатели среды и действующие факторы; х,
у,...—неизвестные показатели степени одночлена. Путем преоб-
разования и решения системы уравнения определяются безраз-
мерные критерии геологического подобия: /Ga, К2а, • • •— Для ана-
лога и Ki°, Ki0,... — для оцениваемого объекта и записываются
уравнения
/a=/laFa(/Ciaft2a. . .) И /o = /lo/^o (^С1°^С2° •) •
Поскольку безразмерные коэффициенты аналога и объекта
равны (Ала=/'С10 и т. д.), то можно допустить, что и их функции
одинакового вида для одного типа явлений (например, оползни,
переработка берегов, просадки в лёссах и др.). Следовательно,
при равенстве критериев подобия 1О—С1Я, где С — масштабный
коэффициент моделирования.
Для каждого процесса необходимо обоснованно выбрать ти-
пичные для него представительные показатели, критерии прогно-
за. Например, характерные показатели, используемые для прогно-
за оползней, обвалов и устойчивости высоких склонов сложного
строения горно-складчатых областей, приведены в табл. 1.2.
Среди приведенных в табл. 1.2 и других критериев подобия
геологического процесса различают показатели, характеризующие
среду, в которой развивается процесс, и действующие факторы; в
случае прогноза оползней одни изменяют состояние и свойства
пород, а другие — величины и распределение напряжений.
При сравнении оцениваемого объекта с известным аналогом
по критериям геологического подобия возможны случаи, когда
они не все совпадут. Определение необходимого количества их со-
впадений для надежного прогноза может быть установлено по ме-
тоду эвклидова расстояния, сущность которого заключается в на-
хождении расстояния (близости) между критериями аналога и
объекта. Это расстояние определяется для каждого критерия объ-
екта как среднеквадратичное расстояние между ними и всеми
критериями аналога. Те критерии, между которыми величина рас-
стояния наименьшая, должны использоваться при прогнозах.
Использование метода природных аналогов в варианте
Л. Б. Розовского предполагает соблюдение равенства критериев
геологического подобия среды (строение, гидрогеологические ус-
ловия, типы оползней и т. п.) и действующих факторов, вызываю-
щих прогнозируемые процессы (их механизм, интенсивность, про-
должительность и др.), что должно быть доказано.
В. М. Воскобойников и О. Г. Лиходеева (1984) в развитие
идей и метода природных аналогов Л. Б. Розовского предлагают
шире использовать возможности теории подобия и размерностей
25
Таблица 1.2
Представительные показатели и их размерности
(главные и дополняющие)
Группы показателей Виды показателей Обозначение критерия Размер- ность
Морфометрические высота склона; н м
Структурно-тектоничес- кие крутизна средняя аср градусы
— приуроченность к разрывам и узлам их пересечения; Кт
— направление и углы падения пород по отношению к склону; градусы
Неотектонические движе- ния — интенсивность тектонической трещиноватости приуроченность к блокам или крыльям складок, к частям их, дифференцированно поднима- ющимся Ктр %
Зоны разгрузки и вывет- ривания Литологические типы по- мощности отдельных зон и горизонтов с разной степенью экзогенного разрушения а) сопротивление сдвигу: _со со to м
род и их физико-механи- ческие свойства — массива в целом; — по зоне ослабления (заполнитель, трещина) Фм МПа
при естественной влажности; — то же при дополнительном Фз то же
обводнении; Фо «
б) сопротивление одноосно- му сжатию; в) объемная масса , Кс МПа
д т/м*
Г идрогеологические -—сезонная обводненность; -—гидростатическое, гидродина- мическое давления Ом Л; /g %
Скалывающие напряже ния в массиве — величины — распределение “^макс узлы кон- центрации МПа
Сейсмичность ускорение горизонтальной составляющей части массива в сухом и обводненном со- стоянии а; а0 см/с2
в отношении определения: вида задачи, системы размерностей, по-
казателей среды и процесса, структуры обобщенных переменных.
Эти предложения авторы называют методом обобщенных пара-
метров (МОП), которые будут различными в зависимости от су-
щества прогнозируемого процесса. Одним из преимуществ МОП
является закономерная группировка первичных размерных вели-
чин в обобщенные комплексы в соответствии с их сущностью.
Главные этапы МОП включают: определение вида задач и выбор
системы размерностей; установление параметров и переменных;
анализ структуры обобщенных переменных, построение модели
процесса в обобщенной форме и прогнозирование процесса. МОП
позволяет решать обратные задачи, например определить средние
26
величины сопротивляемости пород волновому размыву или сдви-
гу по данным наблюденной абразии берега или оползания склона.
Характеристики параметров и динамики процессов, полученные
на моделях по МОП, обладают достаточной достоверностью, так
как основаны на обобщении данных по группе объектов. Модели
на основе МОП более совершенны для обработки информации,
выявления связей между параметрами и создания кадастров по-
исковых систем.
Сравнительно-геологический метод (СГМ). Характеристики со-
временной устойчивости оползневого или обвального склона, со-
стояния закарстованной территории, селеопасности речной долины
и других геологических явлений, а также прогноз дальнейшего их
изменения основаны на статистически обработанных данных, пре-
имущественно детального инженерно-геологического картирова-,
ния, о геологическом строении, подземных водах и геологической
истории развития типичных процессов в изучаемом районе, их ме-
ханизме, параметрах, периодичности за новейшее геологическое
время. Реконструкция развития склонов, абразивных побережий,
закарстованности массива, формирования селеопасных долин и
конусов выноса и других явлений за характерные этапы новейшей
истории в увязке с неотектоническими структурами и движения-
ми, с врезами речных долин, с палеогидрологическими и палео-i
гидрогеологическими условиями, с оледенениями и колебаниями
уровней моря и озер, с образованием и денудацией кор выветри-
вания позволяют путем сопоставлений по представительным пока-t
зателям оценить формирование геологических процессов за про-i
шедшее время и наметить тенденцию их развития под влиянием
разных факторов, в том числе техногенных, используя методы ма-
тематической статистики, факторного анализа и корреляционных
зависимостей. Новейшая геологическая история развития процес-
сов в конкретном районе занимает центральное место в сравни-,
тельно-геологическом методе и позволяет составить более обосно-
ванные инженерно-геологические модели и геомеханические схе-.
мы для проведения расчетов и экспериментов на физических моде-
лях для оценок явления в целом или роли отдельных факторов.
В зависимости от вида процесса уменьшение прочности пород
(из-за выветривания, увеличения влажности, выщелачивания и
суффозии), изменение полей напряжений массива вследствие рас-
членения рельефа, изменение режима подземных вод и их гид-
равлических градиентов и скоростей, абразионное и эрозионное
воздействия поверхностных вод и изменение других условий бу-
дут иметь разное значение. Применение СГМ предполагает, что
при проведении инженерно-геологической съемки должны быть
собраны данные об опыте строительства, состоянии и деформа-
ции сооружений и эффективности мер инженерной защиты от не-
гативных (оползневых, карстовых, селевых, абразионных и др.)
процессов в изучаемом и аналогичных районах. Эти данные рас-
сматриваются как признаки для сравнительной оценки процессов
и их прогноза в изменяющихся обстановках.
27
Экспериментальные методы предназначены для определения
на моделях из эквивалентных и других материалов: а) напряжен-
но-деформированного состояния массивов пород, слагающих гео-
морфологические элементы; б) деформации массива пород в виде
оползневых смещений, движения над подземными полостями
и т. п., механизма их развития во времени и при изменении
свойств и состояния пород и действующих напряжений (силовых
факторов); в) фильтрационных потоков и их градиентов в разных
естественных и измененных геологических средах; г) развития
процессов выщелачивания, суффозии и выветривания. Экспери-
менты на моделях ставятся для характеристики как явления в це-
лом, так и роли отдельных факторов, что позволяет дифференци-
рованно их оценивать. При строительстве крупных объектов в
сложных условиях ставятся натурные эксперименты, воспроизво-
дящие воздействие будущих сооружений и производства работ на
геологическую среду. Проведение подобных весьма трудоемких
экспериментов возможно на массиве пород, меньшем по размерам,
чем сфера влияния сооружения, но тогда вопрос о критериях по^
добия является решающим. Иногда опыт проводится в натурных
условиях; например, можно оценить процессы суффозии и филь-
трационные градиенты при водопонижении, равном по величине
тому, которое будет достигнуто в будущих карьерах или при под-
земных разработках.
Каждый эксперимент на моделях по изучению любого процес-
са имеет свои пределы применения, степень достоверности и ис-
ходные теоретические предпосылки. Соблюдение критериев подо-
бия геометрического, по свойствам и других, получение надежных
исходных данных о строении массива пород, о его свойствах и со-
стоянии, об особенностях предполагаемого механизма прогнози-
руемого процесса определяют достоверность результатов.
Эксперименты на моделях широко применяются; они являются
приближенными методами, в первую очередь из-за трудностей
соблюдения критериев подобия модели и натуры, но обладают
преимуществами, так как позволяют воспроизвести неоднородное
строение трещиноватого массива, приложить дополнительные си-
лы, например тектонические, и в наглядном виде наблюдать раз-
витие деформаций в породах. Данные, получаемые при экспери-
ментах, существенны для разработки более реальных схем для
расчетов разными методами.
Для прогноза параметров сдвижения над выработанным про-
странством и образования мульды на поверхности земли В. И. Ба-
рановским и другими проводились многочисленные эксперименты
на моделях, один из которых для слоистой наклонной залегающей
толщи пород приведен на рис. 1.1. Другой пример использования
моделирования на эквивалентных материалах для изучения вели-
чин и распределения гравитационных напряжений, механизма и
параметров оползневых смещений, развивающихся при уменьше-
нии прочности пород или при подрезках, показан на рис. 1.2. На
разрезе воспроизведен склон р. Днестра, сложенный различными
28
по составу трещиноватыми слоистыми породами протерозоя, верх-
него мела и неогена с несколькими прослоями глин малой проч-
ности, с крупной наклонной трещиной и для целей моделирования
объединенными в 10 инженерно-геологических пачек. Проверялась
гипотеза формирования оползней, составленная по геологическим
наблюдениям и предполагающая, что первоначально подмывае-
мый склон имел крутизну примерно 40°. Под влиянием выветри-
вания и дополнительного увлажнения у заполнителя трещины по-
степенно снижался угол внутреннего трения сначала до 12°, а за-
тем до 9°, что достигалось инъекцией в часть трещины дозирован-
Рис. 1.1. Изучение на моделях нз эквивалентных
материалов сдвижения слоистой толщи пород иад
выработанным пространством (по В. И. Баранов-
скому, 1963)
ного количества масла; сцепление принималось близким к нулю.
Это привело к образованию на модели вначале разнонаправлен-
ных трещин разрыва, а затем возникновению внизу склона пер-
воначального оползня.
На следующем этапе экспериментов для снижения прочности
массива была произведена инъекция масла на всем протяжении
трещины и в кремнисто-глинисто-песчаную пачку сеномана (IV).
В результате на модели образовался крупный оползень, захватив-
ший весь склон, отдельные его части сместились на 25 м и более,
а также возник выпор в основании склона. Общий облик и кру-
тизна склона на модели стали аналогичными современному скло-
ну р. Днестра, что подтвердило геологическую гипотезу о законо-
мерностях его формирования. Одновременно с наблюдениями за
Механизмом развития оползневых деформаций в модели сложного
строения из эквивалентных материалов определялись горизон-
тальные и вертикальные напряжения по тензодатчикам, заложен-
ным в модель, и величины смещений по маркам, наклеенным на
боковую стенку модели; изменение положения марок фиксирова-
лось съемками малогабаритной стереофотокамерой.
Моделирование на центрифугах для определения устойчивости
откосов на эквивалентных материалах или методом заморажива-
29
315 45U bbb bib
Рис. 1.2. Изучение развитии оползневых смещений на склонах сложного строения на моделях из эквивалентных материа-
лов (по Ю. А. Мамаеву, 1981).
Профили склонов (цифры в кружках): 1 — реконструированного по геологическим данным, крутизной 40—45°, до воз-
никновения оползней; 2 — современного, с прислоненной террасой и делювием; 3 — после первого этапа экспери-
НИЯ фотоупругих материалов для изучения напряжений является1
более строгим, чем вышерассмотренное, но оно редко применяет-
ся для решения инженерно-геологических задач, так как не поз-
воляет воспроизводить на моделях особенности строения высокого
склона и неоднородного трещиноватого массива пород, соблюдая
геометрическое подобие.
Расчетные методы весьма многочисленны по определению на-
пряженно-деформированного состояния массивов пород и их
устойчивости в склонах, над выработанным пространством, по от-
ношению к воздействиям статических и динамических нагру-
зок и к движущимся водным потокам. Расчетные методы широко
применяются для оценки состояния и прогнозов оползней и обва-
лов, селевых потоков, формирования берегов морей, озер и водо-
хранилищ, карста, просадок в лёссах и других геологических и ин-
женерно-геологических процессов. Расчетами оцениваются как
процессы и явления в целом, так и определяющие их факторы, на-
пример: а) подпор подземных вод и связанные с ним гидродина-
мические и гидростатические силы, изменение состояния по-
род; б) влияние землетрясений, техногенного воздействия и др.
Расчеты процессов могут быть основаны на детерминированных и
стохастических схемах, н каждому процессу должен соответство-
вать метод, учитывающий строение геологической среды и меха-
низм его развития.
По содержанию расчетные методы могут быть инженерными,
численными (конечных элементов, конечных разностей), вероят-
ностно-статистическими и др. Большинство из них основано на
допущении, что геологическая среда упругая сплошная, к ней
приложим закон Гука, в то время как для многих массивов пород
характерны дискретность и упругопластические деформации, а
грунтовые массы часто движутся как вязкопластические тела.
Расчетами оцениваются деформации от приложенных напряжений
на какой-то статический момент; их изменение во времени дости-
гается путем выполнения серии расчетов с соответственно уточ-s
ненными параметрами геологической среды и приложенных сил.
ментов, с частичным снижением до 15° и при С = 0 по тектонической трещине;
возник первоначальный оползень; 4 — со сформировавшимися оползнями, ана-
логичными современным, с выпором в нижней части; завершающий этап экспе-
римента и ложе оползня на этом этапе (4а).
I—X — инженерно-геологические пачки: 1 — известняки; II — глины, пески,
кремнистые стяжения; III — мергели и песчаники средней прочности; IV —
пески, кремнистые стяжения с глиной; V — песчаники; VI — алевролиты и
аргиллиты; VII — песчаники; VIII — аргиллиты с частными тонкими прослоя-
ми глин; IX — песчаники с прослоями глии; X — алевролиты прочные.
5 — тектонические трещины с глинистым заполнителем, наклонные и вертикаль-
ные (пять), вверху расширенные выветриванием; 6 — оползневые трещины раз-
рыва; 7 — марки для измерения смещений на стенке модели и их векторы;
8 — тензодатчики и их номера в кружке: 1г—33; 9 — векторы напряжений н
их величины, МПа: а — первоначальные, до развития смещений модели; б —
наибольшие, при развитии деформаций; в — стабилизовавшиеся
31
Достоверность расчетов нередко бывает невысокой, со значи-
тельными отклонениями от реальности, что выявляется при даль-
нейших режимных наблюдениях. Расхождение результатов расче-
тов с действительностью обычно обусловлено несоответствием тео-
ретической основы метода и упрощением сложной геологической
среды до уровня расчетной схемы, при котором теряются сущест-
во и механизм процесса. Далее, выбор расчетных показателей
свойств неоднородного массива, характера и величин действую-
щих сил часто не соответствует реальности. Тем не менее расче-
ты являются полезным средством анализа развивающихся геоло-
гических процессов, позволяют определять изменение конечных
результатов при разных крайних значениях исходных показате-
лей и выявляют влияние отдельных факторов при их изменении.
Для каждого метода расчета должна быть своя геомеханическая
схема, для которой реальная геологическая обстановка соответ-
ственно преобразуется. При выборе метода расчета, схематиза-
ции инженерно-геологических данных, обосновании исходных по-
казателей свойств пород и других операциях необходимо в наи-
большей мере учитывать механизм процесса, желаемую достовер-
ность результатов в связи с поставленной практической задачей,
не забывая об ограничениях самого метода.
Вопрос надежности результатов расчетов геологических про-
цессов по методам, основанным на детерминированных и стоха-
стических схемах, неоднократно дискутировался в научной лите-
ратуре; в инженерно-геологической практике используются оба
подхода, но преимущество отдают детерминированному.
Инженерные расчеты устойчивости откосов, сводов обруше-
ния, переработки берегов водохранилищ, просадок в лессах и
других процессов основаны на детерминированных схемах; они до-
статочно просты и изложены в учебниках по механике грунтов, во
многих руководствах и справочниках. Как показал опыт, результа-
ты их далеко не всегда достоверны. В связи с этим предлагаются
вероятностно-статистические методы для региональных и локаль-1
ных прогнозов развития оползней, селевых потоков, карста и абра-
зии. В частности, в работе ВСЕГИНГЕО по Черноморскому побе-
режью СССР (1979) дается прогноз развития экзогенных геоло-
гических процессов, основанный на анализе режима солнечной
активности, климато-гидрологических факторов (осадки, уровни,
волны, расходы рек и т. д.), коррелируемых с проявлением ополз-
ней, селей и абразии, вне указаний типа, масштаба и места про-
явления.
Один из примеров применения вероятностно-статистических
методов к прогнозу карстовых процессов изложен в работе
В. В. Толмачева (1980). Автор предполагает, что интенсивность
карстовых провалов пропорциональна плотности воронок и их
размерам на поверхности земли. С помощью коэффициентов свя-
зи по теории качественных признаков устанавливается влияние
независимых между собой факторов, например глубины залега-
ния карстующихся пород, мощности глин над ними и других с
32
оценкой значимости каждого, на количество провалов — как ре-
зультату карстовых процессов; чем больше учитывается факто-
ров, тем кривая связи ближе к нормальному распределению.
Для вероятностной временной оценки карстовых провалов не-
обходимо установить характер их возникновения; по В. В. Тол-
мачеву, для района г. Дзержинска закон близок к распределению
Пуассона, для которого характерно, что его математическое ожи-
дание равняется дисперсии (x=Zo=o2). Вероятность образования
провалов Р за промежуток времени х равнаР(х)=-----------, где
X
е — основание натурального логарифма; — среднее число про-
валов в единицу времени на данной площади. Далее автор пола-
гает, что, установив законы распределения во времени и парамет-
ры карстовых провалов, можно определить устойчивость террито-
рии и сооружений на ней, а также эффективность укрепительных
мероприятий. Применение вероятностно-статистического метода
прогноза в рассматриваемом случае к карсту в гипсах требует:
— доказательств квазиоднородности геологического строения
и гидрогеологических условий территории, где произошли карсто-
вые провалы, и оцениваемой территории; обычно карстующиеся и
терригенные породы составляют сложный фациально-изменчивый
комплекс;
— детерминированных моделей в количественных показателях
о природе и механизмах процесса под действием каждого фак-
тора;
— доказательств «независимости» действия факторов карсто-
образования, в то время как в действительности многие факторы
взаимообусловлены, имеют прямые и обратные связи;
— учета проявлений карста как непрерывно развивающегося
процесса, в результате которого изменяются общая закарстован-
ность, движение, режим и агрессивность подземных вод; подго-
товка к провалу обычно длится значительное, возможно, даже
геологическое время; на древнюю и старую закарстованность на-
кладываются современные процессы, и нет стационарности в их
развитии, а провалы свидетельствуют о качественных изменениях.
Характерными особенностями геологических процессов — кар-
ста, оползней и др. — являются обычная нестационарность их ре-
жима, необратимость действия, унаследованность развития и из-
менение геологической среды, что существенно ограничивает, а
иногда исключает применение вероятностно-статистического ме-
тода. Кроме того, он затрудняет' возможность прогноза геологиче-
ских процессов под влиянием техногенных факторов, в том числе
пригрузки и подрезки, измененного режима и химизма подземных
вод, так как обычно отсутствуют аналоги.
Для региональных прогнозов на первых стадиях изысканий и
проектирования защитных мероприятий К. А. Гулакяном и други-
ми (1977) предложен вероятностный метод прогноза оползней —
метод «геодинамического потенциала» — с составлением (с по-
33
мощью ЭВМ) оползневых карт разных масштабов. Процедура
прогноза по геодинамическому (например, оползневому) потен-
циалу заключается в следующем:
— составляется карта распространения оползней по типам в
выбранном масштабе;
— оползнеобразующие факторы на основе гистограммы их
распространения в районе разбиваются на классы; к основным’
факторам относятся литологический состав пород, мощность по-
кровных отложений, крутизна поверхности несмещенных пород,
крутизна склона, гидрогеологические условия, абразия и эрозия;
каждый фактор делится на классы; например, крутизна склона:
<5, 5—10, 10—15, 15—25, 25—35, >35°; эрозия: слабая, сильная,
отсутствует и т. д.;
— составляются аналитические карты распределения классов
отдельных факторов с вычислением площади класса (в км2) и
рассчитывается показатель удельного оползнепроявления Ь]г,
представляющий количество оползней, приходящихся на единицу
площади распространения i-го класса /-го фактора;
— для крупномасштабных карт определяется вероятность воз-
никновения или активизации оползней — Р1г и пределах площади
t-го класса фактора через отношение площади оползней в его гра-
«ущах к площади ’веете клагга;
— оценка степени влияния отдельных факторов производится
посредством весового коэффициента: V^JjPj, где 13 — информа-
ционный коэффициент, по А. Б. Вистелиусу, и Р3— нормирован-
ная вероятность возникновения или активизации оползня для
классов j-го фактора;
— геодинамический (оползневой или иной) потенциал (№оп)
устанавливается последовательным совмещением всех карт-фак-
торов, при котором пересечением площадей выявляются участки
действия m-факторов; для каждого участка и типа оползня Wott
определяется как вероятность суммы конечного числа событий с
т
допущением независимости факторов: 1— П(1— Рк), где
*=i
П — знак произведения; Pk — вероятность Рг] в совокупности
т классов различных факторов конкретного сочетания из приве-
денного выше числа.
Вычислив геодинамические потенциалы для каждого геологи-
ческого процесса (оползневого и др.), можно определить общий
геодинамический потенциал территории и составить карты рай-
онирования возникновения и активизации как отдельных процес-
сов, так и в совокупности.
Е. П. Емельянова во многих работах (1971, 1976, 1981) рас-
сматривает проблему прогноза оползневых процессов, анализируя
преимущества и ограничения детерминированных и стохастиче-
ских моделей для расчетов, и приходит к следующим заключе-
ниям:
— при любом прогнозе модель должна соответствовать уров-
34
ню знания и природе процесса и учитывать зависимости, извест-
ные из теории; стохастические модели, предлагаемые для прогно-
за оползней, обычно не соответствуют этому положению;
— предлагаемые стохастические модели для вневременного
регионального прогноза оползней дают ответ только о вероятно-
сти их возникновения в районе без указания на типы, объемы и
конкретное местоположение; такие результаты имеют малое прак-
тическое значение;
— оползневой процесс по своей сущности является детермини-
рованным, осложненным случайными составляющими, например
землетрясением, аномально большим количеством атмосферных
осадков, подъемом уровня подземных вод и т. п.; устойчивость
склона изменяется однонаправленно, но сказать, когда наступит
предельное состояние, крайне трудно, и поэтому прогноз оползней
(карста и других процессов) по времени будет вероятностным;
— допущение в методе геодинамического потенциала, что ве-
роятность возникновения оползней в каждом районе определяется
отношением площадей с происшедшими оползнями к общей пло-
щади района (т. е. коэффициент пораженности), малообоснованно,
так как: а) неизвестна степень подготовленности ранее стабиль-
ных склонов к появлению на них новых оползней; б) на площадях
с проявленными оползнями, где изменились условия, не обяза-
тельно в дальнейшем образование оползней; в) при выделении
районов по факторам допускается, что они действуют независимо
друг от друга, в то время как в природе они взаимосвязаны.
Изложенные выше и другие мотивы, приведенные Е. П. Емель-
яновой, позволяют сделать общий вывод, что вероятностно-стати-
стические методы прогноза оползней недостаточно достоверны;
основное внимание должно быть уделено закономерностям и ме-
ханизму процесса и составлению детерминированных моделей, в
большей мере отвечающих задачам практики.
Среди разнообразных склоновых процессов встречаются гран-
диозные по объему и быстродвижущиеся обломочно-глыбовые ла-
вины и вязкие оползни-потоки глинистого состава, расчеты кото-
рых, как показали исследования С. С. Григоряна, К. Ш. Шадунца
и других, требуют иных исходных теоретических концепций и ме-
тодов. Для таких потоков наряду с кулоновым трением, действую-
щим в обломочных и оползневых глинистых массах, в расчеты не-
обходимо включать коэффициент турбулентного сопротивления,
рассматривая их движение как некоторую модификацию гидрав-
лической модели («Методика инженерно-геологических исследо-
ваний...», 1980).
В связи с невозможностью достоверно оценить прямыми рас-
четами переформирование высоких берегов водохранилищ неодно-
родного строения и при нестационарном уровенном режиме прог-
ноз развития карста в легкорастворимых породах в сложной гид-
рогеологической обстановке или других процессов привел к необ-
ходимости разработки комбинированных методов. В частности,
для прогноза переработки берегов предложен графоаналитиче-
35
ский метод (Золотарев и др., 1983), содержание которого можно
проиллюстрировать следующим примером.
Склон водохранилища высотой 140 м сложен внизу аллюви-
альными пылеватыми легкоразмокаемыми супесями и мелкими
песками низких террас, на которые опирается делювий из пылева-
тых суглинков, иногда с редким щебнем, маловлажных и легко-
размокаемых. Под аллювием и делювием залегают (до 2/3 высо-
ты склона) древние оползневые накопления — раздробленные па-
кеты и перемятые обломочно-глинистые массы из терригенных
пород. Верхняя часть склона сложена глинистыми песками,мер-
гелями, глинами и известняками средней и малой прочности.
Имеется несколько водоносных горизонтов, в том числе испыты-
вающих подпор от водохранилища.
Процессы переработки будут качественно различны и обособ-
ляются на три основные стадии: 1) в делювии и аллювии, где ос-
новным будет размокание пылеватых пород; 2) в старых оползне-
вых толщах, где будет подпор подземных вод, будут действовать
процессы выветривания и отчасти волновой и эрозионный размыв
и 3) в несмещенных терригенных и карбонатных породах. Пере-
мещение линии уреза в глубь склона и увеличение его крутизны
во вторую и третью стадии могут быть такими значительными, что
создадутся условия образования оползней, когда сдвигающие
напряжения в основании уступа превысят прочность пород, осо-
бенно если вскроются слои или зоны пониженной прочности.
Сработка уровней водохранилища в многоводные, средней
водности и в маловодные годы различна, но значительна по вели-
чине, что отражается на режиме подземных вод склона и на воз-
никновении гидродинамического давления, которое также являет-
ся фактором развития оползней. В зоне переменных уровней и в
формирующемся уступе над ней будут происходить активное вы-
ветривание и иные процессы разрушения пород, нередко избира-
тельные. В сочетании с эрозионным и волновым воздействием
определятся характер и интенсивность переработки берегов, для
прогноза которых нужны соответствующие гидрологические ха-
рактеристики. Возможность возникновения оползня с захватом ос-
нования проверяется расчетами или моделированием на эквива-
лентных материалах, для чего определяются величины и распре-
деление скалывающих напряжений. Величины гидравлических
градиентов подземных вод в разных горизонтах, возникающих
при сработке уровня водохранилища, устанавливаются моделиро-
ванием на интеграторах. Изложенный характер и механизм про-
цессов переработки берегов на подобных водохранилищах тре-
буют обоснованных детерминированных моделей для каждой ста-
дии процесса и действующего фактора.
Аналогичное положение с прогнозом карстовых процессов в
легкорастворимых породах и других многофакторных геологиче-
ских процессов. Оценка степени и распространения закарстован-
ности массива, сформированной за несколько этапов геологиче-
ской истории, включая современный, должна основываться на па-
36
лео- и голоценовой гидродинамической зональности, интенсивно-
сти водообмена и химической агрессивности вод. В основе оценки
современной интенсивности и прогноза карстовых процессов так-
же должны быть водный баланс разных частей карстующегося
массива, гидродинамическая и гидрохимическая зональности.
Экспертные методы оценки инженерно-геологических условий
и процессов. При проведении изысканий и проектировании круп-
ных сооружений в сложных природных условиях, например гид-
роузлов, атомных станций, тоннелей, глубоких карьеров, больших
городов, обязательно осуществляется экспертное рассмотрение
программ изысканий и их результатов, принципиальных проект-
ных решений, мероприятий по обеспечению надежности сооруже-
ний, защиты их от опасных геологических процессов и других во-
просов. Экспертиза как метод решения ответственных задач по
прогнозу и оценкам роли процессов, по инженерно-геологическому
обоснованию проектирования и строительства крупных сооруже-
ний должна осуществляться коллегиально наиболее квалифициро-
ванными инженерами и учеными разных специальностей для все-
стороннего рассмотрения проблемы. Основой для решения строи-
тельных и проектных задач методом экспертиз служат материалы
инженерно-геологических изысканий, научных проработок, натур,
ный осмотр района, данные по аналогичным вопросам на других
объектах и личный опыт экспертов. Эффективность обстоятель-
ных экспертиз, как показывает опыт их осуществления, несом-
ненна.
Многообразие геологической среды, проектирование и строи-
тельство сооружений, с ней взаимодействующих, вызывают раз^
личные инженерно-геологические процессы, для оценки и прогно-
за которых надо применять как отдельные методы, так и ком-
плекс методов в соответствии с поставленными задачами; в этом
заключается творческое содержание инженерно-геологических ис-
следований.
Прогноз геологических и инженерно-геологических процессов,
рекомендации по предотвращению неблагоприятного или опасно-
го их воздействия на сооружения и территории — обязательная
часть инженерно-геологических карт- и разрезов, В отчетах об
инженерно-геологических изысканиях и публикациях нередко
встречаются детальные карты и разрезы общего характера, не со-
держащие оценку конкретной геологической и гидрогеологической
среды применительно к намечаемому строительству. Вполне допу-
стимо, что для оценки одной и той же городской территории, не
говоря о более сложных гидротехнических, подземных и горнодо-
бывающих сооружениях, целесообразно составление нескольких
инженерно-геологических карт для обоснования планировочных
решений, мостостроения, подземных объектов и метро.
Глава II
ОБ ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
понятиях
В научной литературе, в трудах по изысканиям и проектирова-
нию применяются разнообразные инженерно-геологические тер-
мины, содержание которых нередко трактуется различно, либо
практически одно и то же явление или процесс называются не-
одинаково. Это приводит к путанице в практической деятельно-
сти, к непониманию среди геологов, к осложнению при общении с
проектантами и строителями. Введение в науку и практику изы-
сканий новых понятий взамен существующих целесообразно при
условии, что уточняются смысл, содержание, используется более
современная терминология, учитывающая достижения смежных
наук. В научных работах и отчетах по изысканиям встречаются
следующие термины:
— геологическая среда, инженерно-геологические условия,
природно-технические геосистемы;
— инженерно-геологические массивы пород и тела разных
уровней, элементы, грунтовая толща, геотехногенные массивы,
сфера взаимодействия геологической среды и сооружений;
— инженерно-геологические карты, разрезы и модели, геоме-
ханические схемы и т. д.
Сохраняя за авторами право пользоваться терминологией и
понятиями, которые они считают рациональными, инженерам-гео-
логам и специалистам-смежникам необходимо знать их содержа-
ние и критически их применять.
§ 1. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ТЕЛА, МАССИВЫ, ЭЛЕМЕНТЫ, ГЕОСИСТЕМА
И ДРУГИЕ ПОНЯТИЯ
Общепризнано, что любые сооружения и способы их возведения
разнообразно взаимодействуют' с геологической средой, образуя,
если применять терминологию Г. К. Бондарика (1986), «природ-
но-техническую геосистему», подразделяемую на элементарную,
локальную и региональную со своими компонентами и характери-
стиками. Е. М. Сергеев (1982) под понятием «геологическая сре4
да» подразумевает верхнюю часть литосферы, в которой прояв-
ляется строительная и хозяйственная деятельность человека, при-
водящая к изменению природных и возникновению антропогенных
геологических процессов; считает, что инженерная геология — это
учение о геологической среде, ее рациональном использовании и
охране.
38
Геологическая среда является сложной по строению динамич-
ной системой, и показатели ее свойств и состояния в отдельных
точках, определенные на образцах в лаборатории и даже в на-
турных условиях на монолитах ограниченного размера, не харак-
теризуют в целом массив, реально взаимодействующий с соору-
жением.
Понятие «инженерно-геологический массив» в литературу ввел
П. Н. Панюков (1959, 1978), подразумевая под ним применитель-
но к горному делу «структурно-обособленные части земной коры
в сфере инженерного воздействия, исследуемые с целью установ-
ления условий производства работ и эксплуатации сооружения».
Границы массивов разных уровней устанавливаются по комплек-
су признаков, в том числе по петрогенетическим, структурным,
внутреннего строения, тектоническим, режиму обводнения, напря-
женности и геодинамическим. В систематике массивов горных по-
род П. Н. Панюков выделяет массивы платформенных (древних,
молодых) и горно-складчатых областей (каледонские, герцин-
ские, альпийские). При инженерно-геологической типизации мас-
сивов пород необходимо учитывать как размеры сферы и харак-
тер сооружения — их типы, размеры, режим эксплуатации, так и
воздействие — механическое (статическое, вибрационное и взрыв-
ное), гидродинамическое и тепловое, величины и распределение
дополнительных напряжений.
Г. А. Голодковская, М. Матула, Л. В. Шаумян (1987) обособ-
ляют несколько иерархических уровней массивов скальных пород
разных объемов по признакам: литологическим, структурным,
внутреннего строения и дискретности, выделяя две категории:
А — литолого-структурные и Б — дизъюнктивные (зоны разломов,
надвигов), в каждой из которых предполагаются массивы четы-
рех уровней. Ранее (1975) авторы под массивом скальных горных
пород понимают «геологическое тело, образующее тектоническую
структуру или ее часть, сформировавшееся в определенной геоло-
го-структурной и палеогеографической обстановке и характери-
зующееся присущими только ему геологическими, гидрогеологиче-
скими и, инженерно-геологическими закономерностями». Геологи-
ческую среду, взаимодействующую с сооружениями и испыты-
вающую влияние человека, предлагается называть сферой, кото-
рая может включать как несколько геологических тел, так и
часть одного. Данная классификация инженерно-геологических
массивов пород не охватывает всего их разнообразия, например
морских осадочных малолитифицированных, ледниковых и других
континентальных отложений, древних и современных кор вывет-
ривания, а также техногенных образований, для которых необходи-
мы дополнительные классификации.
Г. К. Бондарик (1986) предлагает достаточно сложную, но ло-
гичную схему подразделения геологической среды на геологиче-
ские тела от наиболее крупных — формация, далее субформация,
генетический комплекс, стратиграфо-генетический комплекс, мо-
нопородные геологические тела (МГТ) трех уровней, из которых
39
детальный (МГТ-3) соответствует понятию «инженерно-геологи-
ческий элемент», предложенному Н. В. Коломенским.
Схема И. В. Попова разделения пород для отображения их на
инженерно-геологических картах, приведенная в учебнике
Г. С. Золотарева (1983), в принципе аналогична упомянутой бо-
лее детальной схеме Бондарика.
Под инженерно-геологическим элементом (ИГЭ) следует пони-
мать литологически однородное равномерно-трещиноватое геоло-
гическое тело, обладающее в зависимости от цели использования
(расчет и т. п.) одним или несколькими показателями (обобщен-
ными и расчетными) физико-механических и фильтрационных
свойств и состояния, статистически обоснованными. При опреде-
лении инженерно-геологического элемента, его состава и объема
следует учитывать вероятный механизм деформации пород под
воздействием сооружений или других факторов, т. е. выделение
элемента имеет целевое назначение. Инженерно-геологические
элементы слагают инженерно-геологические массивы и толщи по-
род; их объединение также обусловлено задачами исследований,
характером взаимодействия с сооружениями, влияющим на геоло-
гическую среду.
В классификациях и учебниках Г. К. Бондарика (1986) и
В. Д. Ломтадзе (1978, 1986) не употребляется понятие «инженер-
но-геологический массив пород», несмотря на его широкое приме-
нение в практике. Однако различия в понятиях, предлагаемых
разными исследователями, имеют в основном терминологический
характер.
Понятие «грунтовая толща» предложено В. Т. Трофимовым на
основе региональных исследований в Западной Сибири и исполь-
зовано при составлении мелкомасштабных инженерно-геологиче-
ских карт, на которых характеризуются строение и свойства по-
род на глубину 10—15 м, выявляются типы территории, что отве-
чает требованиям обоснования на предварительных стадиях до-
рожного, поселкового и малого промышленного строительства.
Поэтому понятия «грунтовая толща» и «инженерно-геологический
массив пород» идентичны по содержанию, но первое относится
преимущественно к песчано-глинистым четвертичным образова-
ниям разного генезиса.
Применение термина «сфера взаимодействия геологической
среды с сооружениями» правомерно в инженерно-геологической
литературе, но сам термин не содержит необходимой конкретно-
сти и не учитывает влияние производства строительных работ; не-
которая неопределенность слова «сфера», подразумевающая ско-
рее границы, а не объем и параметры конкретного геологического
(одного или нескольких) тела. Иное дело, когда говорится, напри-
мер, о взаимоотношении литосферы и гидросферы, об их особен-
ностях и порождаемых последствиях.
Подытоживая сказанное, следует рекомендовать понятие «ин-
женерно-геологический массив пород» разных уровней, строения и
особенностей относить к конкретным сооружениям и видам веде-
40
ния строительных работ; когда же обособляются и характеризу-
ются с инженерно-геологическими целями какие-либо отложения
или образования, вне связи с сооружением или использованием
территории, целесообразно использовать термин «инженерно-гео-
логические тела» разных уровней. Понятие «инженерно-геологи-
ческий элемент» как основной компонент массива должно широко
использоваться; иногда в случае частого переслаивания близких
по составу и степени литификации осадочных пород допустимо
объединение их в литологические и инженерно-геологические
пачки.
Выбор конкретных признаков для выделения границ инженер-
но-геологических массивов разных уровней определяется видом
сооружения, характером предполагаемых деформаций пород и
особенностями взаимовлияния. Признаки будут разными для
оценки деформируемости пород в основании сооружений, при про-
ходке шахт и других подземных выработок, для обоснования
устойчивости склонов, карстовых провалов и т. п. Наибольшее
практическое значение имеют типы инженерно-геологических мас-
сивов пород и элементов целевого назначения, выделенные с со-
блюдением принципов литолого-фациального, структурно-трещин-
ного и гидрогеомеханического анализов. Например, если оцени-
вать верхнедокембрийские высоколитифицированные терригенные
отложения большой мощности района Днестровской ГЭС, в кото-
рых среди весьма прочных алевролитов и песчаников имеется
пачка, содержащая многочисленные тонкие (1—3 см) и единич-
ные в 10—12 см прослойки пластичных глин, то следует отметить,
что эти прослои мало влияют на общий модуль деформации и
осадку сооружения. Однако если такая пачка с прослойками глин
залегает выше уреза реки, то она обусловливает возникновение
крупных оползней и общую неустойчивость высокого склона. Ана-
логично, должны быть разные признаки и подходы при рассмот-
рении опасности деформации легкорастворимых пород и соору-
жений, на них расположенных, при наличии или отсутствии воз-
действия подземных и поверхностных вод. Иными словами? выде-
ление инженерно-геологических массивов и элементов прибли-
жается к составлению расчетных геомеханических схем, обосно-
вывает их.
Таким образом, если рассматривать, например, геологическое
строение долины р. Днестра в створе плотины (см. рис. 2.12 в
учебнике «Инженерная геодинамика», 1983) с задачей выделения
внженерно-геологических массивов и элементов для оценки на-
дежности основания бетонного сооружения, устойчивости оползне-
вого склона или условий подземного варианта размещения зда-
ния ГАЭС, то признаки их обособления, границы и объемы будут
существенно различными. Следовательно, классифицирование та-
ких малоизученных и сложных объектов, как инженерно-геологи-
ческие массивы, и их элементов, а также инженерно-геологиче-
ских тел разных уровней дискуссионно и требует дальнейших про-
работок. Инженерно-геологическое классифицирование массивов
41
пород будет более конкретным, если рассматривать раздельно
магматические и метаморфические, литифицированные морские
осадочные, континентальные образования и зоны дизъюнктивов.
В каждой такой группе пород следует дополнительно обособлять
массивы кор выветривания, а в растворимых отложениях — закар-
стованные массивы, учитывая их особое инженерно-геологическое
значение.
Оценка свойств массива пород. Лабораторное на образцах и
даже натурное на монолитах изучение механических свойств и на-
пряженного состояния пород обычно характеризует только эле-
мент разреза в пределах слоя, контакта, иногда пачки. Для опре-
деления показателей, характеризующих массив в сфере его взаи-
модействия с сооружением, учитывая увеличивающиеся размеры
сооружений и напряжения, применяют несколько методов, даю-
щих результаты различной, достоверности в зависимости от слож-
ности строения и характера воздействия техногенных и природ-
ных факторов.
Косвенный геологический метод — расчленение слоистого или
трещиноватого массива пород на элементы и пачки по литологи-
ческим признакам, сопротивляемости выветриванию и размыву,
состоянию в обнаженных откосах, тенденции к оползанию и по
показателям массового опробования (Д, W, vp, и др.) с после-
дующим определением эмпирического коэффициента на уменьше-
ние прочности, увеличение деформируемости и размываемости по-
род. Достаточно достоверные результаты среднего сопротивления
сдвигу трещиноватых, выветрелых и неоднородных пород полу-
чаются путем «обратных расчетов» по нише смещения свежего
оползня на склоне, картируемой с помощью фототеодолитной
съемки.
Расчетные методы, основанные на данных наблюдений за де-
формацией бортов карьеров и трещиноватых пород в основании
сооружений по эмпирическим формулам, предложенным Г. Л. Фи-
сенко (1965) —для сопротивления сдвигу, К. В. Руппенейтом
(1975) —для модуля деформации и другими учеными. Для учета
масштабного фактора иногда используют данные натурных штам-
повых испытаний прочности и деформируемости неоднородных и
трещиноватых пород на монолитах разного размера — от 20X20
до 200X200 см и иногда до 400X400 см, сопровождаемые опреде-
лением сейсмоакустических показателей (ур и др.) для большей
обоснованности корреляции.
К экспериментально-эмпирическим методам оценки геомехани-
ческих свойств массивов скальных пород относится 5-членная
классификация по сумме баллов 3. Т. Биениавского, предназна-
ченная в основном для проектирования подземных сооружений
(см. табл. 6.2 в главе VI учебника).
Геофизические методы, в первую очередь сейсмоакустические
(каротажные, просвечивание и др.) на ультразвуковых и сейсми-
ческих диапазонах частот, с измерением на разных базах, а так-
же другие методы — электроразведочные, лазерные и радиоволно-
42
вые. Возможность характеристики массива пород значительных
объемов через средние и модальные значения скоростей продоль-;
ных волн (ур) показали экспериментальные исследования
Л. В. Шаумян на породах Талнахского района; использование
корреляционной методики выявили существенное изменение пока-
зателя Vp и прочности на сжатие Rc в зависимости от объема (от
1 дц3 до 1000 м3 и более),
но различное для габб-
ро-долеритов с трещино-
ватостью от 2,5 до 10%
и более (рис. 2.1). Кор-
реляционная методика
позволяет распростра-
нять показатели механи-
ческих свойств пород, по-
лученные на образцах ма-
лого размера, на массив.
Пример применения кор-
реляционной методики
дается на рис. 2.2, из ко-
торого следует, что при
сильной трещиноватости
и объемах 1000 мя и бо-
лее наблюдается сущест-
венное уменьшение проч-
ности пород, примерно
на 40% у габбро-долери-
тов и на 35% у песчани-
ков. Расчеты по корре-
ляционной методике
включают следующие
операции:
1) выявляются зави-
симости между показате-
лями прочности (Rc) и
скоростями (ир), опреде-
ляемыми на образцах
Рис. 2.1. Масштабные кривые, показываю-
щие изменевия скоростей продольных волн
одинакового размера ста-
тическими и сейсмоаку-
стическими испытания-
ми;
2)' определяются зна-
чения vp оцениваемого
массива пород на разных
масштабных уровнях с
vp в зависимости от степени трещинова-
тости габбро-диабазов и объема W7 (по
Л. В. Шаумяи).
Трещиноватость: 1 — малая (менее 2,5%);
2 — средняя (3—4%); 3 — сильная (7—
8%) и 4 — более 10%. зоны дробления
учетом заданного объе-
ма, что достигается применением разночастотных модификаций
(ультразвуковых, акустических и сейсмических) измерения скоро-
стей vp в массивах разных размеров;
45
Рис. 2.2. Показатели прочности Re на образцах (А) и в массиве объемом 1000ч-
-г 100000 и3 (S), рассчитанные по корреляционной методике для мало-(1)»
средне-(II) и сильиотрещииоватых (III) пород (по Л. В. Шаумян):
1 — габбро-долериты; 2— известняки; 3—-песчаники
3) изменения величин показателей механических свойств мас-
сива пород по сравнению с таковыми для образца учитываются
применением поправочных коэффициентов (Кп), получаемых при
сопоставлении значений, определенных при равномасштабных ис-
пытаниях ультразвуковым каротажем в скважинах и на образцах,
отобранных из тех же точек массива; коэффициент Кп отражает
влияние трещиноватости, литологической неоднородности и на-
пряженности массива по сравнению с образцом;
4) для расчета прочности массива пород в заданном объеме
Rc используют следующую эмпирическую корреляционную завич
симость:
Rc — Rc макс 1 —
VP~VPo
\ vp макс vp.
211/2
1 —
где Rc макс — среднемаксимальное значение прочности для данного
типа породы; орМакс — среднемаксимальное значение скорости для
данного типа породы; иРо— скорость продольных волн при
прочности, близкой к нулю, при разрушении образца; vv'— изме-
ренное значение скоростей с поправкой
vp образца
К„ •
vp массива
Расчеты изменения величин показателей прочности в массиве
трещиноватых базальтов объемом 1000 м3, выполненные по кор-
44
реляционной методике Л. В. Шаумян, показали, что величина Кп
колеблется от 0,95 для малотрещиноватых до 0,80 для сильнотре-
щиноватых пород. Исходные данные и результаты расчетов све-1
дены в табл. 3.1 при следующих постоянных параметрах корреля-
ционного уравнения для изученных базальтов: 7?смакс=330 МПа;
vp мако=6400 м/с; vPo до 250 м/с.
Таблица 3.1
Изменение прочности на сжатие Rc базальтов с разной степенью
трещиноватости и разного объема
Трещиноватость базальтов v&, м/с, в объемах, м3 Коэффициент 7?С1 МПа, в объемах, м»
0,001 1000 0,001 100
Малая 5700 5500 0,95 145 125
Средняя 4900 4350 0,90 70 50
Сильная 4600 4200 0,80 50 30
§ 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КАРТЫ
И РАЗРЕЗЫ
Проблема «инженерно-геологические карты, их виды, назначение,
содержание и методика составления» всегда была в центре вни-
мания научных и производственных организаций Советского Сою-
за, а в последние годы являлась объектом деятельности специаль-
ной комиссии Международной ассоциации инженеров-геологов.
В СССР в 1953, 1962, 1968 и 1974 гг. были проведены симпозиумы
и совещания по проблемам инженерно-геологического картирова-
ния, на которых высказывались разные взгляды, иногда противо-
речивые, на содержание и назначение инженерно-геологических
карт. В сентябре 1979 г. в Англии состоялся Международный сим-
позиум по данной проблеме.
Инженерно-геологические карты и разрезы отображают на го-
ризонтальной и вертикальной плоскостях, а также в аксонометри-
ческой и объемной проекциях основные особенности инженерно-
геологических условий территории как в связи с проектируемыми
или существующими сооружениями, так и вне их. Инженерно-гео-
логические карты и разрезы любого масштаба в сочетании с до-
полняющими их графиками и схемами являются основными ито-
говыми документами, содержащими в наглядной графической
•форме главные результаты комплексных инженерно-геологических
работ — съемочных, опытных, режимных, экспериментальных и
других в зависимости от назначения и детальности изысканий.
Виды, назначение и масштабы карт. Всесоюзные совещания
1962 и 1974 гг. по проблемам инженерно-геологического картиро-
вания рекомендовали все разнообразие инженерно-геологических
карт объединить в две основные группы — карты условий и карты
45
специальные. Первые отражают те особенности объективно суще-
ствующей геологической среды, которые важны при решении раз-
личных задач планирования, проектирования и строительства ин-
женерных сооружений, рационального использования и охраны
территории. Специальные инженерно-геологические карты любых
масштабов имеют целевое назначение и предусматривают:
— характеристику и оценку геологического строения, свойств
пород, подземных вод, геологических процессов, рельефа и исто-
рии развития применительно к конкретным проектно-строитель-
ным задачам, использованию или защите территории;
— прогноз изменения существующих инженерно-геологических
условий во взаимодействии с конкретными сооружениями и под
влиянием строительных работ, т. е. возникновение инженерно-гео-
логических процессов;
— анализ состояния и причины деформаций существующих ин-
женерных сооружений, возведенных на участках с различными
инженерно-геологическими условиями, а. также оценку эффектив-
ности осуществленных мероприятий.
Характеристика, оценка и прогноз инженерно-геологических
условий и процессов по возможности представляются в прибли-
женно-количественных показателях и во времени.
По назначению, содержанию и в зависимости от сложности
природной обстановки инженерно-геологические карты могут
быть самыми разнообразными. На одних картах дается целена-
правленная характеристика какого-либо показателя свойств по-
род или явления, например трещиноватости, модуля деформации
естественных напряжений, закарстованности массива, оползней
и т. п., а на других дается обобщенная характеристика или оцен-
ка важнейших компонентов геологической среды и процессов. Во
всех странах огромное значение придается проблемам экологии и
охраны окружающей среды, в связи с чем на инженерную геоло-
гию возложена задача по комплексному, в том числе региональ-
ному, прогнозированию изменения инженерно-геологических усло-
вий и составлению обзорных карт. Инженерно-геологические кар-
ты составляются разных масштабов со следующей наиболее при-
меняемой номенклатурой.
Обзорные карты (1:500000 и мельче) предназначаются:
— для обобщения накопленных материалов, региональной спе-
циализированной характеристики геологического строения, под-
земных вод и геологических явлений для больших территорий и
страны в целом;
— для использования при планировании развития народного
хозяйства и строительства республик, краев и областей, а также
при программировании;
— для учебных целей, чтения курсов по инженерной геологии.
Мелкомасштабные карты (1:200 000—1:100 000) составляют-
ся для обоснования:
— схем развития гидротехнического, дорожного, промышлен-
но-городского и сельского строительства (на стадии районных.
46
планировок), генеральных (региональных) схем инженерной за-
щиты территории и сооружений от опасных геологических процес-'
сов и т. д.;
— районных нормативов (СНиПы) и пособий по проектиро-
ванию и осуществлению типового строительства, проведению ин-
женерно-геологических изысканий.
Кроме того, инженерно-геологические карты данного масшта-
ба являются обобщением опыта изысканий и имеющихся разно-
характерных материалов, накопленных в различных научно-про-
изводственных институтах по отдельным регионам и областям.
Среднемасштабные карты (1:50000—1:25000) используются
для инженерно-геологического обоснования:
— проектных решений по схемам комплексного использования
водных ресурсов рек в районах сложного геологического строе-
ния, высокой сейсмичности, по комплексному использованию цен-
ных застраиваемых побережий морей и водохранилищ и их защи-
те от абразии и оползней, по защите территории от селевых пото-
ков, активного карста и т. д.;
— Схем и ТЭО размещения (вариантов) отдельных сооруже-
ний и их комплексов (гидроузлы, каналы, мосты, туннели и др.),
при проектировании дорог и другого линейного строительства, а
также для территории с месторождениями полезных ископаемых,
намеченных к разработке.
Крупномасштабные карты (детальные — 1:10000—1:1000)
предназначаются для отдельных участков и площадок размещения
сооружений на стадии проекта, осуществления мероприятий по ин-
женерной подготовке территории и защите от опасных геологиче-
ских процессов. Крупномасштабные инженерно-геологические
карты являются специализированными и должны отражать суще-
ствующее и прогнозируемое взаимодействие конкретных сооруже-
ний и защитных мероприятий с геологической средой. Карты этих
масштабов составляются для районов со сложными геологически-
ми условиями на стадии проектов высоких плотин, ГЭС, ГАЭС,
АЭС, мостовых переходов, трасс и порталов тоннелей, наземных
и подземных промобъектов и других ответственных сооружений,
а также для генеральных и детальных планов застройки и рекон-
струкции городов, на территории которых необходима комплекс-1
пая инженерная подготовка.
Большое внимание должно уделяться содержанию и наглядно-
сти инженерно-геологических разрезов, обычно составляемых в
более крупном масштабе, чем карты, для отображения характери-
стик подземных вод и их режима, свойств и состояния пород,
обоснования районирования, выделения массивов пород и других
данных. Карта и разрез составляют единое целое. В редких слу-
чаях допустимо представление разрезов без карты, например, ко-i
гда надо рассчитать конструкцию или устойчивость сооружения
отдельного здания.
Опыт составления многочисленных инженерно-геологических
карт разных масштабов и назначения для областей с различными
47
геологическими условиями позволяет сделать следующие заклю-
чения.
1. Не отрицая полезности карт инженерно-геологических усло-
вий, И. В. Попов на совещании 1962 г. в дискуссии о содержании
и ценности различных карт отмечал, что «спор решается практи-
кой, преимущественно в пользу составления специальных карт».
Этого положения придерживаются большинство инженеров-геоло-
гов, и оно справедливо в настоящее время даже для обзорных
карт, например, «грунтовых толщ» в масштабе 1: 1 500000, со-
ставленных в 1972 г. В. Т. Трофимовым и другими под руковод-
ством Е. М. Сергеева. Средние и крупномасштабные инженерно-г
геологические карты являются преимущественно специальными
как наиболее отвечающие требованиям практики.
2. Удачными для общей инженерно-геологической характери-
стики крупных промышленно-городских и осваиваемых террито-
рий для целей планирования строительства и изысканий оказа-1
лись карты масштаба 1:500 000 для многих платформенных и
горно-складчатых областей страны.
3. Весьма эффективны в практическом отношении карты мас-
штаба 1:25 000, широко используемые при решении разных за-
дач, в том числе для разработки районных защитных мероприя-
тий и освоения территорий. Одно из достоинств этих карт заклю-
чается^в том, что, характеризуя достаточно большие площади
сложного строения, на них можно отразить основные геологиче-
ские особенности — складчатые и разрывные структуры, погре-
бенные долины, региональные типы оползней, карст, селевые по-
токи и другие явления.
4. Закономерно, что для территории крупного города состав-}
ляется серия детальных инженерно-геологических карт различно-
го содержания и назначения, характеризующих условия и прогноз
процессов при строительстве и эксплуатации жилых зданий, мо-
стовых переходов, метро и подземных сооружений, располагае-
мых на разных глубинах. Обычно глубина разведки на участках»
типовой застройки ограничивается 12—15 м, но должна быть уве-
личена до многих десятков метров в случаях погребенных долин и
связанных с ними карста (города Дзержинск, Альметьевск, Мос-
ква, Уфа), большой мощности малолитифицированных плывун-
ных песчано-глинистых и торфяных отложений, мощных кор вы-
ветривания, для анализа влияния длительных откачек подземных
вод и нефти. Аналогично для районов размещения наземных и
подземных объектов горнодобывающих предприятий, для ком-
плекса гидротехнических сооружений на реках также целесооб-
разно составление нескольких инженерно-геологических карт.
5. Инженерно-геологическая карта должна отвечать опреде-
ленным кондициям соответственно назначению, сложности усло-
вий и масштабу во избежание превращения ее в упрощенный ва-
риант геологической карты. На инженерно-геологической карте
не должно быть механического совмещения различных геологиче-
ских, гидрогеологических и геоморфологических данных. Посколь-
48
ку карты должны содержать характеристику и оценку геологиче-
ских и гидрогеологических факторов и прогноз инженерно-геоло-
гических явлений, то тем самым решается вопрос о содержании и
назначении карт, так как вне зависимости от вида строительства
или использования территории эти главнейшие элементы не могут
быть показаны.
6. Большое значение для экономии средств и времени имеют
требования к инженерно-геологическим картам в отношении обос-
нования их фактическим материалом — съемочными, разведочны-
ми, лабораторными, опытными и другими данными. При решении
вопросов планировки и застройки территории на стадии генпла-
нов промузла или города в районах средней сложности (карты
масштаба 1:25000—1:10000) нет необходимости характеризо-
вать состояние и свойства пород расчетными показателями, до-
статочно классификационных и нормативных с использованием
опыта строительства, так как на этой стадии не рассчитывается
устойчивость отдельных сооружений. Важнее детально проанали-
зировать состояние и причины деформации зданий, расположен-
ных на различных инженерно-геологических участках, учесть и
обобщить опыт строительства. На инженерно-геологических кар-
тах и разрезах масштаба 1 : 2000—1 : 1000 при расчетах осадок
сооружения или геологических процессов показываются расчет-
ные показатели для основных разновидностей пород.
Геологические и гидрогеологические карты («вспомогатель-
ные»), составляемые при инженерно-геологических исследованиях.
Основой для составления инженерно-геологических карт являются
геологические, геоморфологические и гидрогеологические карты;
при определении их содержания необходимо учитывать назначе-
ние и задачи исследований, в том числе прогноз процессов. Геоло-
гические и гидрогеологические карты масштаба 1:200 000—1:
: 50000 обычно составляются по методикам и инструкциям Мин-
гео СССР, в которых не могут быть учтены специфические задачи
и назначение инженерно-геологических исследований. Поэтому
при полевых работах, обобщении имеющихся материалов и со-
ставлении инженерно-геологических карт, особенно масштаба 1 :
: 25000 и крупнее, необходимо собрать данные по дополнительным
целенаправленным характеристикам изменчивости состава, зале-
гания и мощности пород, малой складчатости, тектоническим раз-
рывам и трещиноватости, выветрелости, неравномерной и сезон-
ной обводненности и промерзаемости. Например, на геологиче-
ской карте, имеющей целью охарактеризовать инженерно-геоло-
гические условия городской территории или трассы дороги, обыч-
но достаточно показать породы и подземные воды на глубину
12—15 м. Для прогноза подпора грунтовых вод после создания
водохранилищ в пределах высоких речных террас на карте дол-
жны быть охарактеризованы фации, состав и залегание аллювия
на глубину от будущего уровня подземных вод до подстилающих
водоупорных пород. Для прогноза переработки берегов важно
знать разрез пород от уреза водохранилищ до поверхности земли.
4»
Аналогичное положение с гидрогеологическими картами. Их
основное назначение по инструкции — охарактеризовать подзем-
ные воды для целей водоснабжения, бальнеологических, поисков
месторождений полезных ископаемых, как химическое сырье
и т. д. При инженерно-геологических исследованиях необходимо
охарактеризовать первый от поверхности и более глубоко зале-
гающие водоносные горизонты, с вредным влиянием которых при-
дется бороться. Следовательно, целесообразно составление спе-
циализированных геологических и гидрогеологических карт, отве-i
чающих на конкретные вопросы проектирования и строительства.
Большое практическое значение имеет вопрос о количестве
карт, представляемых в отчете для обоснования проекта и веде-
ния строительства. Признавая целесообразность составления се-
рии инженерно-геологических карт, надо стремиться по возможно-
сти к их совмещению. Опыт составления карт масштаба
1:100 000—1:2000 для районов со сложным строением (Золотарев
и др., 1973, 1980) показывает, что вполне разумно объединение
геологической и геоморфологической карт с нанесением опорных
съемочных точек и разведочных выработок. Если главным содер-
жанием карты являются строение и оценка устойчивости склонов
(инженерно-геологическая карта для оползневых, обвальных и
селевых районов), то на ней целесообразно показать необходимые
гидрогеологические данные. Совмещение карт допустимо при усло-
вии соблюдения их читаемости и наглядности изображения.
В «Учебном пособии по инженерной геологии» (1989) приведена
схема расчленения по генезису континентальных отложений,
рекомендуемая для использования при составлении карт и раз-
резов.
Районирование территории и массивов пород, осуществляемое
на инженерно-геологических картах и разрезах, имеет разное на-
значение и признаки. При составлении карт и разрезов любых
масштабов исходя из принципов формационного, структурного и
генетического анализов проводится типизация и определяются со-
подчиненные таксономические единицы районирования, каждая из
которых имеет свой признак. Специализированное инженерно-гео-
логическое районирование предполагает выявление и отображение
основных инженерно-геологических условий; такое разделение тер-
ритории и массивов пород необходимо для обоснования их оценки
и прогноза взаимодействия геологической среды, инженерного со-
оружения и методов ведения строительных и горных работ. По ме-
тодике инженерно-геологического районирования опубликованы
многочисленные работы, среди которых в первую очередь надо от-
метить труды И. В. Попова (1961), Г. А. Голодковской (1975),
И. С. Комарова (1966) и др.; детально эти вопросы рассмотрены
в статье В. Т. Трофимова (1979).
Инженерно-геологическое районирование как этап изысканий,
систематизирующий и обобщающий собранные материалы, явля-
ется творческим видом деятельности геолога при соблюдении ин-
структивных указаний графического оформления, издания карт и
50
разрезов. Из многочисленных рекомендаций и примеров по со-
ставлению инженерно-геологических карт разного назначения и
содержания наиболее целесообразной представляется следующая
схема районирования территории для карт мелкого, среднего и
крупного масштабов.
Инженерно-геологические районы — основное содержание карт
масштаба 1:100 000; они обособляются по стратиграфо-литологи-
ческим комплексам пород с характеристикой их свойств обобщен-
ными показателями. В случаях сложного геологического строе-
ния, например при надвиговых структурах, или относительно ма-
лой мощности отдельных комплексов допустимо их объединение в
группы. Стратиграфо-литологический комплекс пород предполагает
общее сходство их петрографического состава, фациальных и тек-
стурных особенностей, степени литификации и метаморфизма.
Комплекс может состоять из части яруса (свиты, горизонта) или
объединять несколько стратиграфических подразделений, в том
числе четвертичных отложений. Комплекс пород, как правило, ха-
рактеризуется примерно одинаковыми показателями физико-ме-
ханических свойств, состояния и их пространственной изменчи-
востью.
Разделение пород на типы по показателям физических, меха-
нических и фильтрационных свойств и объединение их в комплек-
сы определяются деятельностью и назначением инженерно-геоло-
гических карт и разрезов, мощностью и значением отдельных па-
чек, прослоев и линз при оценках устойчивости и прогнозах де-
формаций. В тех случаях, когда отдельные, важные для инженер-
но-геологических прогнозов и оценок прослои и зоны из-за их
малой мощности не отображаются на картах и разрезах, они дол-
жны быть показаны немасштабными знаками и охарактеризованы
в дополнительных таблицах и графиках.
Инженерно-геологические подрайоны на картах для подземно-
го и наземного строительства различны. На картах для подземно-
го строительства возможно выделение подрайонов нескольких по-
рядков, например по признакам: а) тектоническим структурам;
б) крупным геоморфологическим элементам и в) общим гидрогео-
логическим условиям — распространению и типам подземных вод.
На картах масштаба 1:25000, а при очень сложном строении —
масштаба 1:10 000, предназначенных для наземных сооружений,
инженерно-геологические подрайоны являются основным компо-
нентом с последующим подразделением по признакам: а) подрай-
оны первого порядка — по крупным, существенным для оценки
геоморфологическим элементам и б) подрайоны второго поряд-
ка — по гидрогеологическим условиям. Структурный признак на
таких картах чаще имеет малое значение и может быть опущен,
в то время как на картах для подземного строительства райони-
рование по нему обязательно. Широкие (300—1000 м и более) зо-
ны крупных и региональных разломов и надвигов, в которых име-
ются тектониты (особый комплекс пород), должны составлять от-
дельный инженерно-геологический район.
51
Инженерно-геологические участки — наиболее детальный и ос-
новной элемент районирования территории и массивов пород —
выделяются на картах масштаба 1:1000—1:5000 и реже 1:10000;
они разделяются на три категории по различным признакам для
карт разного назначения. На картах для наземного строительства-
территории разделяются на участки по следующим признакам:
1) характеру (типам, видам) пород в основании сооружений и их
механическим свойствам; 2) глубине залегания и режиму грунто-
вых вод; 3) видам и интенсивности современных геологических и
инженерно-геологических процессов.
Рекомендуется следующая система индексов для обозначения
инженерно-геологических районов, подрайонов и участков на кар-
тах:
— районы — римскими цифрами: I, II, ...;
— подрайоны — заглавными буквами русского алфавита с
подстрочной цифрой, указывающей на его порядок (категорию),
например: 1-го порядка Аг, Б,; Bt и т. д.; 2-го порядка — Аг; Б2;
В2; ... и 3-го порядка — Аз; Б3; В3; ...;
— участки — общепринятыми цифрами с подстрочной анало-
гичной цифрой, соответствующей категории участка, например 1Ь
12 или 13, а также 2j или 31 и т. п. Таким образом, если конкрет-
ную территорию или массив пород необходимо разделить по всей
признакам подрайонов и участков, то индексы будут иметь сле-
дующий наиболее сложный вид: например, II — Bi — А2 — Б3 —
31 — 22 — 13. Как показал опыт, такая ситуация встречается ред-
ко в связи с совпадением границ подрайонов и участков разных
порядков.
При характеристике отдельных элементов геологической сре-
ды — пород, структур, подземных вод, рельефа, геологических
процессов и т. п. — используются классификации и нормативные
документы, опубликованные в методических руководствах. Инже-
нерно-геологические карты обычно составляются на разгруженной
топооснове соответствующего масштаба, не мешающей основной
нагрузке. Рекомендуемые условные обозначения для карт и раз-
резов и макеты их разного назначения приведены в «Учебном по-
.собии по инженерной геологии» (1989), в методических рекомен-
дациях МГУ и ВСЕГИНГЕО (1966), Г. С. Золотарева и др.
(1973, 1980), Г. А. Голодковской, Л. М. Демидюк, Л. В. Шаумян
(1983). Для подземных сооружений на инженерно-геологических
картах и разрезах масштабов 1 : 5000—1 : 1000 и реже 1 : 10000, на
дополнительных графиках и в таблицах районирование террито-
рии и массивов пород доводится до основного таксономического
элемента — инженерно-геологических участков трех категорий.
Первый — выделяется по признаку «дефицита прочности», т. е.
обособляются такие литологически однородные части массива,
зоны и контакты, в которых естественные напряжения равны или
превышают прочность пород. Второй — по признаку устойчивости
пород вблизи поверхности земли (до глубины 30—50 м), напри-
мер по стабильности склонов и других геоморфологических эле-
52
ментов, вблизи верхних частей и порталов подземных сооруже-
ний. По гидрогеологическим особенностям выделяется третий вид
инженерно-геологических участков — частей массива, в пределах
которых вероятны прорывы плывунов и подземных вод, их высо-
кие напоры, большая сезонная обводненность территории, водо-
притоки, значительная активизация процессов выщелачивания и
механической суффозии, существенно изменяющих состояние, во-
допроницаемость и прочность пород. На инженерно-геологических
картах для наземного и подземного строительства обязательно по-
казывать виды деформаций существующих сооружений и зоны
сдвижений, расположенные на участках с разным геологическим
строением и гидрогеологическими условиями, по возможности от-
мечая их причины, а также охарактеризовать эффективность вы-
полненных укрепительных, дренажных, берегозащитных и других
сооружений и мероприятий.
§ 3. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
В научной литературе и практике инженерно-геологических иссле-
дований широко используются различные понятия — модели: ин-
женерно-геологические, структурные, прикладные, специализиро-
ванные, общие, частные, вспомогательные и иные, содержание ко-
торых разные авторы трактуют неодинаково (Ухов, Газиев, Лыко-
шин, 1981; Лыкошин и др., 1972; Каякин, 1977; Фишман, 1984; и
др.). В естественных и технических науках существуют общепри-
знанные понятия о моделях: физических (создаваемых в лабора-
торных или натурных условиях), математических, знаковых (гра-
фических), мысленных (понятийных). Модели могут быть детер-
минированными или стохастическими (вероятностными, статисти-
ческими). В детерминированных моделях каждая точка или эле-
мент массива пород обладает конкретной величиной исследуемого
показателя состава и свойств, которые могут быть разными по
площади сечения или по объему массива. В стохастических моде-
лях предполагаются вероятные величины показателя в отдельных
точках массива и задается их изменение при условии, что во всем
массиве изменение обладает стационарным режимом.
Модель в инженерной геологии — это в известной мере идеа-
лизированное представление (образ) о динамичной геологической
среде, отражающее ее особенности и взаимосвязи с сооружениями.
Модели необходимы для обобщения накопленных материалов, для
изучения и прогноза развивающихся процессов, расчетов устойчи-
вости сооружений и выбора защитных мероприятий.
Особенностью систем «геологическая среда — сооружение»
является способность их к адаптации; можно выделить системы:
регулирующиеся, когда: а) техногенное воздействие сооружения
полностью компенсируется средой, б) необходимы инженерные
мероприятия по предотвращению отрицательных явлений и защи-
ты в системе, и нерегулирующиеся, для которых характерны зна-
чительные невосстановимые изменения геологической среды, на-
53
пример сдвижение пород над выработанным пространством при
разработке месторождений полезных ископаемых, при подземных
взрывах и др.
Учитывая многие стороны содержания, назначения и дискусси-
онность понятия «инженерно-геологические модели», целесообраз-
но различать:
а) модели строения и модели процессов, с подразделением вто-
рых в зависимости от действующих природных и техногенных фак-
торов;
б) специализированные частные и общие модели.
Многочисленные геологические, гидрогеологические, инженер-
но-геологические карты и разрезы, схема соотношений террас, но-
вейших отложений и кор выветривания можно рассматривать как
знаковые и графические модели общего назначения. В практиче-
ской работе составляются различные модели (карты, схемы, раз-
резы) с инженерно-геологической направленностью, среди которых
обособляются:
— литолого-фациальная, отражающая основные особенности
состава, текстуры и изменчивости комплексов, пачек и слоев по-
род, определяющие инженерно-геологические свойства массива;
— структурно-трещинная, содержащая типичные для массива
складчатые и разрывные структуры, тектоническую и литогенети-
ческую трещиноватость нескольких уровней, имеющих инженерно-
геологическое или гидрогеологическое значение;
— инженерно-сейсмическая, показывающая влияние инженер-
но-геологических факторов на изменение силы землетрясений в
пределах отдельных участков территории строительства;
— экзогенного изменения массивов пород, в которой показы-
ваются результаты воздействия процессов разуплотнения из-за
разгрузки напряжений, выветривания, суффозии и выщелачи-
вания;
— гидродинамическая, отражающая закономерности распрост-
ранения, путей движения, разгрузки и гидравлической связи под-
земных вод разных горизонтов и их механическое («силовое») и
физико-химическое воздействие на породы;
— деформационных, прочностных и фильтрационных свойств;
массивов пород разных уровней как в целом, так и их частей и
элементов, чаще представляемых графически раздельно, в зави-
симости от целевого назначения исследований;
— напряженного состояния массивов пород, характеризующе-
го величины и распределения полей естественных напряжений в
разных массивах пород, структурах и геотермических зонах.
Эти модели являются моделями строения, статическими, отоб-
ражающими разные особенности массива пород, но каждая имеет
самостоятельное значение, неодинаковое в зависимости от сложно-
сти геологической среды н задач исследований. Поэтому разделе-
ние их заранее на «основные» и «вспомогательные» вряд ли обос-
нованно. Модели строения могут быть как частными, так и об-
щими.
54
Массивы пород обладают анизотропностью и неоднородностью
строения, свойств и состояния разных уровней. М. В. Рац (1973)
предлагает для практических целей выделять четыре уровня неод-
нородности: от IV, микроуровня, обусловленного дефектами кри-
сталлических решеток и строением реальных кристаллов, до I,
определяемого наличием разных по составу и литификации слоев
пород, тектоническими разрывами, зонами выветривания и т. п.
Кроме того, предполагается «нулевой» уровень неоднородности,
под которым понимается региональная изменчивость пород, их
приуроченность к формационным комплексам. Представления об
уровнях неоднородности массива целесообразно учитывать при
построении моделей.
Модели, отражающие динамику взаимодействия сооружений и
влияния строительных работ на геологическую среду, являются
инженерно-геологическими моделями процессов, включая прогноз,
и более сложны по содержанию. При построении инженерно-гео-
логических моделей процессов, происходящих как в природной не-
измененной деятельностью человека обстановке, так и особенно в
условиях, где действуют техногенные факторы, надо представлять
механизм процесса. Например, при взаимодействии водохранилища
со склоном процессы по механизму и интенсивности будут прин-
ципиально различными в зависимости от особенностей геологиче-
ской среды — пород, слагающих берега (размокаемые лёссы, ра-
створимые гипсы, легковыветривающиеся глины, мерзлые породы
и т. п.), наличия подземных вод, оползней и осыпей, а также в за-
висимости от уровенного и волнового режима. Аналогично при со-
здании модели деформаций от взаимодействия основания и плоти-
ны (каменно-набросной, бетонной гравитационной, арочной) по-
мимо отражения основных особенностей инженерно-геологического
строения массива необходимо учитывать сжимающие и сдвигающие
нагрузки, химическое и силовое влияние неравномерного фильтра-
ционного потока. Поэтому модели инженерно-геологических про-
цессов всегда являются специальными, но могут быть как частны-
ми, отображающими действие отдельного фактора или компонен-
та среды (изменчивость строения, деформируемость, прочность
пород и т. д.), так и общими, учитывающими всю систему с пря-
мыми и обратными связями.
Ю. А. Фишман и Л. С. Мирошникова (1984), рассматривая во-
просы об инженерно-геологических моделях для проектирования
гидротехнических сооружений, показали, что их содержание, в ча-
стности модели трещиноватости, определяется целевым назначе-
нием и будет различным при расчетах основания плотины, тунне-
ля и высокого откоса канала. При расчетах параметров, укрепле-
ния и влияния названных сооружений на геологическую среду не-
обходимо определить «работающие» трещины, разломы, пласты
пород, напряжения и другие компоненты массива и показать их
на специализированной модели и на геомеханической схеме, на
которой также приводятся действующие силы.
55
Рис. 2.3. Инженерно-геологическая модель горного склона р, Вахша; распределение
торгаогааяьтах cowecrea действующих гравитационных и тектонических напря-
жений:
1 — песчаники; 2 — алевролиты; 3 — аргиллиты; 4 — каменная соль; 5 — тек-
тонический разлом, подвижный; 6 — тектонические трещины; 7 — изолинии на-
пряжений от массы пород, МПа; 8 — штольня; 9 — пункты измерения напряжений
методом разгрузки
Инженерно-геологическая модель, предназначенная для про-
гноза переработки берегов сложного строения и при нестационар-'
ном уровенном режиме водохранилища, приведена в работе
Г. С. Золотарева н др.( 1983), в которой породы, их характерные
элементы и свойства, подземные воды и другие особенности раз-
реза целеустремленно генерализованы по отношению к оценивае-
мому процессу. Если бы потребовалась модель для оценки усло-
вий строительства тяжелого здания или дороги на склоне или
вблизи его бровки, то обобщение инженерно-геологического раз-
реза было бы иным. Другим примером является инженерно-гео-
логическая модель горного склона р. Вахша неоднородного строе-
ния, показывающая горизонтальные напряжения, образованные-
совместно действующими гравитационными и тектоническими си-
лами (рис. 2.3). В модели сложное геологическое строение склона
существенно схематизировано, но без утраты особенностей, важ-
ных для поставленной задачи.
Наряду с физическими и знаковыми моделями, создаваемыми с
соблюдением критериев подобия и масштаба, с математическими
и понятийными, применяемыми при установленной геологической
закономерности и широко используемыми, существуют «натурные
модели». В гидротехнике и гидрологии нередко применяются экс-
56
перименты в натурных условиях, в которых со3Да12тся в уменьшен-
ном виде модели сооружений, подвергаемые в(эзДевствиям различ-
ных факторов. Крупномасштабные опыты целесообразны и для
изучения инженерно-геологических процессов, когда исследования
в лаборатории и расчеты приближенны или труДН0ВЬ1П0ЛНИМЬ1> в03~
никает необходимость экспериментально подтРеРДить их в натур-
ных условиях. Например, для оценки суффозг1онн°н устойчивости
и возможной деформации массива пород в натУРе можно создать
с помощью системы водопонизительных и нагнетательных сква-
жин такие гидравлические градиенты и скорс)СТИ фильтрационно-
го потока, которые будут идентичными в условиях эксплуатации
сооружения. Испытания механических деформаиий пород под воз-
действием сооружений возможно произвести в натурной обстанов-
ке, соблюдая геометрические и иные критерии подобия.
В научных работах, чаще гидротехническбго направления, ис-
пользуется понятие «геомеханические модели»- Профессор Бр. Ку-
юнджич (СФРЮ, Ин-т им. Черни; 1973) разЛеляет ^понятия «ин-
женерно-геологический разрез» (ИГР), «обобЩенныя инженерно-
геологический разрез» (ОИГР), «инженернр'геологическая м0'
дель» (ИГМ) и «геомеханическая модель» (Г^) и рассматривает
их содержание на примере высоких плотин Мратини, Козяк и
Идбар в Югославии. Инженерно-геологич^ские разрезы, по
Бр. Куюнджичу, должны содержать детальную характеристику со-
става, показатели водопроницаемости, дефор№иРУемости и Других
свойств пород, ИГМ отличаются от разрезов целенаправленной
схематизацией. В геомеханической модели в массивах пород вы-
деляются зоны, которые применительно к прРектиРУемомУ соору-
жению должны быть удалены как ненадежна16 или консолидиро-
ваны инъекционными растворами и анкерами, в них Должны быть
созданы противофильтрационные завесы и провеДены Дренажные
мероприятия. С. Б. Ухов, Э-. Г. Газлев, А. Г. .Дыкошин (1981) свя-
зывают содержание • геомеханической схемы (модели) массива с
решаемой задачей, учитывая особенности стРоения массива, со-
става, состояния и свойств пород отдельных зон и элементов; пе-
реход от ИГМ к ГМ осуществляется с помоЩью вспомогательных
схем.
Отмечая недостаточную теоретическую f1 методическую раз-
работанность вопроса об инженерно-геологич£ских моделях, обоб-
щая имеющиеся представления и учитывая интересы практики,
целесообразно использовать следующие понят^я:
— инженерно-геологическая карта, разрез и иные графически
выраженные закономерности строения террит°рии и массивов по-
род, распространения подземных вод и проц£ссов должны объек-
тивно отображать в максимально полном объеме и в наглядной
форме результаты всех видов инженерно-геол°гических работ; эти
исходные материалы характеризуют реальную геологическую среду
и ее изменение под влиянием природных и техногенных факторов;
— инженерно-геологические модели — двумерные или в аксо-
нометрических проекциях чертежи, дополненные графиками и схе-
57
мами, представляют в целенаправленном генерализованном виде
основные данные о строении, свойствах и состоянии массивов по-
род в целом или их элементов и о процессах; эти данные необхо-
димы для решения конкретной проектной и иной задачи, и отбор
их должен проводиться с учетом главных задач исследований, ве-
роятного изменения геологической среды в сфере влияния соору-
жения; на моделях-разрезах и моделях-картах массивы, толщи и
даже слои пород расчленяются или объединяются по показателям
свойств и состояния в инженерно-геологические элементы, пачки и
массивы разных уровней с характеристиками прочности, деформи-
руемости, проницаемости, размываемости и других показателей,
которые в дальнейшем могут быть использованы в расчетах и экс-
периментах разного назначения;
— геомеханические схемы предназначены для непосредствен-
ного выполнения расчетов или экспериментов на стендах и со-
ставляются на основе инженерно-геологической модели с учетом
возможностей и требований методов расчета или моделирования,
так как для каждого из них необходимы своя дальнейшая гене-
рализация, сохранение в схеме определяющих элементов и выбор
показателей. Например, для оценки устойчивости склонов тради-
ционными методами — суммирования горизонтальных сил или с
учетом напряжений, определенных по способу конечных элемен-
тов, — расчетные (геомеханические) схемы, характер и число по-
казателей по разрезу массива пород будут существенно различ-
ными. Аналогично, если предполагаются эксперименты на моделях
из оптически активных или эквивалентных материалов, то схема,
набор и число показателей будут неодинаковыми.
Моделирование — математическое, физическое и иное — важ-
ный метод познания строения, свойств, состояния, изменчивости и
процессов геологических тел как в «статических» условиях, так и
в развитии под влиянием природных и техногенных факторов. Мо-
делирование может быть эффективным, если четко поставлена за-
дача, обязательно с учетом теоретической базы метода, определе-
ны граничные условия, обоснована методика составления геомеха-
нических схем и выбора исходных представительных показателей.
Результаты математического и физического моделирований необ-
ходимо сопоставлять между собой и с данными натурных наблю-
дений за аналогичными процессами, включая опыт строительства
и эксплуатации сооружений в сходных условиях.
Возможности современной вычислительной техники и экспери-
ментов на стендах огромны; они позволяют выявить закономерно-
сти и режим процессов, влияние на них деталей строения и пока-
зателей свойств массива пород при многообразном воздействии
сооружения. Не располагая точными данными о всех деталях раз-
реза или о показателях свойств, задаваясь разными величинами,
возможно установить вероятные пределы деформаций массива,
распространения и характера процессов, более обоснованно оце-
нить степень их опасности для сооружения и выбрать комплекс
защитных инженерных мероприятий.
58
Глава III
ОСОБЕННОСТИ ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ
ИССЛЕДОВАНИЙ1
Для успешного решения инженерно-геологических задач применя-
ются различные методы исследований; знание их существа, тех-
ники и контроля проведения, требований к документации, к содер-
жанию полевой и окончательной обработки материалов является
одной из основных обязанностей инженера-геолога. Если не обес-
печиваются качественное выполнение и документация натурных и
экспериментальных инженерно-геологических работ, то трудно
ожидать квалифицированных и ответственных отчетов и ответов
на вопросы, поставленные перед исследованиями. К инженерно-
геологическим методам (видам работ) относятся:
— инженерно-теологическая съемка и картирование разного
назначения и детальности;
— инженерно-геологическая документация, наблюдения и оп-
робование разрезов при выполнении разведочных работ — специ-
ализированного бурения скважин, проходки горных выработок
(шурфов, расчисток, штолен, шахт), гидрогеологических наблюде-
ний и опробования водоносных горизонтов;
— пенетрационно-каротажные работы по изучению разрезов
и свойств песчаных и глинистых отложений;
— гидравлическое опробование для изучения трещиноватости,
водопроницаемости и суффозионной устойчивости массивов пород
методами кратковременных и длительных откачек и нагнетаний
(воды, воздуха);
— натурные геомеханические испытания прочности, деформи-
руемости и напряженного состояния, выполняемые в сочетании с
методами геофизических исследований;
— наблюдения за режимами геологических и инженерно-гео-
логических процессов, уровнями и химизмом подземных вод, се-
зонной обводненностью территории и массивов пород;
— экспериментальные на моделях (фотоупругих и эквивалент-
ных материалах и др.) и аналитические исследования напряжен-
1 Для специализации «инженерная геология» читается отдельный курс «Ме-
тоды инженерно-геологических исследований» и предусмотрена учебная практи-
ка на полигоне. В 1984 г. опубликовано «Методическое пособие по инженерно-
геологическому изучению горных пород». Т. 1. Полевые методы. В настоящей
главе кратко рассматриваются особенности методов и технологии проведения
инженерно-геологических работ в связи с поставленными задачами.
59
ного состояния, развития различных деформаций в массивах по-
род, воздействия на них фильтрационных потоков;
— камеральная предварительная, 'полевая и окончательная об-
работка данных изысканий и фондовых, завершаемая составлением
отчетов и заключений с различными графическими материалами.
В целях повышения результативности инженерно-геологиче-
ских изысканий привлекаются методы из смежных областей, в
первую очередь:
а) фотограмметрические — использование существующих
аэро-, фото- и космоснимков, а также проведение специальных, в
том числе повторных фототеодолитных и аэрофотосъемок для ре-
шения геологических вопросов;
б) различные специализированные геофизические исследова-
ния (сейсмо- и электроразведочные и др.) по изучению разрезов,,
зон выветривания и разуплотнения, залегания и движения подзем-
ных вод, трещиноватости, физико-механических свойств и напря-
женного состояния пород в условиях естественного залегания в
иные виды работ, осуществляемые в увязке с инженерно-геологи-
ческим опробованием разрезов при бурении скважин и проходке
горных выработок;
в) специальные гидрогеологические натурные и эксперимен-
тальные исследования, наблюдения и теоретические проработки
по расчетам движения, режима и баланса подземных вод в раз-
нородных геологических средах с учетом влияния сооружений;
г) механико-математические для анализа и прогноза напряже-
ний, деформаций и развития процессов в неоднородных и анизо-
тропных массивах пород, использование математической стати-
стики для обработки данных картирования, натурных, опытных
и лабораторных работ.
Выполнение этих исследований, как правило, осуществляется
специалистами соответствующего профиля, но постановка задач
и инженерно-геологическая интерпретация результатов является
обязанностью инженера-геолога.
§ 1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СЪЕМКА
И КАРТИРОВАНИЕ1
Инженерно-геологическая съемка и картирование — это метод
научного познания в натурных условиях геологического строения,
подземных вод, геологической истории развития и процессов в
специальных целях с учетом влияния техногенных факторов, пред-
полагающий оценку современного состояния территории и прогно-
за ее изменения для обоснования рационального строительства и
эксплуатации инженерных сооружений, использования террито-
рий, включая мероприятия по охране окружающей среды. Инже-
1 При изысканиях в районах многолетней мерзлоты проводятся специализи-
рованные мерзлотно-геологические съемки, содержание и детальность которых
рассматриваются в соответствующих руководствах.
60
нерно-геологическая съемка — ведущий метод работ в общем
комплексе исследований, особенно на начальных стадиях. Пред-
ставляется целесообразным иногда разделять понятия «инженер-
но-геологическая съемка» и «картирование». Под картированием'
чаще подразумевают тематические наблюдения и описания рай-
она, предназначенные для выяснения какого-то важного компо-
нента среды, роли отдельного природного и техногенного факто-
ра или для обоснования мелкомасштабного районирования. На-
пример, надо более детально, чем осуществляется при геологиче-
ской съемке, охарактеризовать: тектонические разломы, их под-
вижность и обводненность, строение кор выветривания и погре-
бенных долин, геологические процессы (карст, оползни, селевые
потоки) и другие особенности территории в связи с предполагае-
мым ее использованием или защитой. В этих случаях на имею-
щейся геологической основе проводится целенаправленное инже-
нерно-геологическое картирование по характерным направлениям
и на отдельных участках. Материалы инженерно-геологических
съемок:
а) обосновывают предварительную оценку состояния террито-
рии и ориентировочный прогноз изменения инженерно-геологиче-
ских условий под влиянием природных и конкретных техногенных
факторов;
б) определяют постановку задач и рациональное проведение
более детальных и сложных видов инженерно-геологических ис-
следований — разведочных и опытных работ, режимных наблюде-
ний и т. п.;
в) позволяют при оценках территории и прогнозах для кон-
кретных объектов и процессов более полно учесть региональные
особенности геологической среды, например такие, как погребен-
ные долины и приуроченный к ним карст, активные разломы, скры-
тые коры выветривания и другие, которые не всегда выявляются’
на ограниченной площади;
г) обосновывают экстраполяцию данных детального изучени$г
на опорных участках на весь район изысканий, используя крите-
рии геологического подобия и сравнительные методы;
д) выявляют в первом приближении причины деформаций су-
ществующих сооружений и эффективность защитных мероприятий.
В зависимости от поставленных задач и условий инженерно-
геологическая съемка проводится во всем районе размещения
проектируемых сооружений, а нередко и за его пределами. В этих
случаях границы инженерно-геологических съемок, особенно де-
тальных, определяются изучением компонентов геологической
среды, обусловливающих региональные инженерно-геологические
закономерности, влияющие на оценку территории строительства.
Например, зарождение селевых потоков, горных обвалов и ополз-
ней нередко происходит на значительном расстоянии от существую-
щего или проектируемого объекта, который они могут разрушить.
Аналогично погребенные долины, активность тектонических раз-
ломов, закономерности развития и распространения карста и дру-
6!
гих явлений нередко возможно более эффективно изучить в смеж-
ных районах.
При проведении инженерно-геологических съемок и картиро-
вания, в целях повышения качества и полноты документации, обя-
зательно использование технических средств и методов фото-
грамметрии, выполнение повторных съемок, инструментальной при-
вязки геологических точек и границ, применение электро- и сейс-
моразведки. Скважины, шурфы и штольни задаются в минималь-
ных объемах на типичных (ключевых) участках, преимуществен-
но для подтверждения геологической гипотезы, проверки резуль-
татов картирования, корреляции с данными геофизической раз-
ведки, определения стратиграфии разреза, мощностей, подземных
вод и других характеристик.
Направленность инженерно-геологического картирования за-
ключается в специализированном изучении тех сторон геологиче-
ской среды, которые позволяют дать инженерно-геологическую
оценку и прогноз изменения состояния территории и массивов по-
род. Специфика инженерно-геологического картирования обуслов-
лена как поставленными задачами, в том числе процессами, ко-
торые возникнут под влиянием различных сооружений, так и осо-
бенностями геологического строения.
Инженерно-геологическое картирование включает целенаправ-
ленное в зависимости от задач и объекта исследований изучение
компонентов геологической среды, древних и новейших отложений,
тектонических структур и трещиноватости. Особенно внимательно
картируются маломощные и малопрочные прослои и линзы, не-
редко и их контакты, наиболее подверженные деформации и менее
устойчивые к химическому и эрозионному воздействию вод. Эти
элементы, как имеющие важное инженерно-геологическое значе-
ние, показываются на картах и разрезах чаще немасштабными
знаками. Детальное изучение литологии разрезов и фациальной
изменчивости отложений является основой для инженерно-геоло-
гического опробования.
Картирование новейших континентальных образований, осо-
бенно кор выветривания и склонового ряда, осуществляется одно-
временно с описанием форм рельефа, ими образуемых. Расчлене-
ние отложений по возрасту и генезису (с выделением фации и
микрофаций), составу, текстуре и неоднородности выполняется по
схеме Е. В. Шанцера («Учебное пособие по инженерной геологии»,
1989).
Картирование тектонических структур и трещиноватости пред-
полагает получение характеристик для оценки их влияния на не-
равномерность обводнения, изменение механических и фильтраци-
онных свойств массива, приуроченность к ним зон выветривания и
геологических процессов.
Картирование геоморфологических элементов, неотектониче-
ских движений и геологических явлений. Формирование рельефа
происходит на общем фоне неравномерных и нестационарных нео-
тектонических движений. Выявляются закономерности распрост-
62
ранения, типы и объемы оползней, обвалов, курумов, карста, се-
левых потоков и других явлений, их приуроченность к неострукту-
рам и разновозрастным элементам рельефа. Генетическое и воз-
растное расчленение макро- и микроформ рельефа используется
для обоснования стратиграфии новейших отложений, а в увязке
с комплексами пород, структурами и их пространственным рас-
положением и для анализа новейшей геологической истории.
Геологические и инженерно-геологические процессы характе-
ризуют напряженность современной геологической жизни местно-
сти, в которой отражается ее предшествующая история. Они явля-
ются наиболее чуткими и объективными признаками для оценки
устойчивости территории и массивов пород. Картирование резуль-
татов их деятельности в виде отложений и соответствующих им де-
нудационных и аккумулятивных форм рельефа важно для иссле-
дований. Надо иметь в виду, что для инженерно-геологических
процессов есть природные аналоги. При анализе роли отдельных
элементов среды и действующих факторов в их развитии следует
различать, какие из них создали обстановку, благоприятную для
образования процессов, а какие были поводом.
Изучение физико-механических свойств и состояния пород при
инженерно-геологическом картировании осуществляется преиму-
щественно на опорных разрезах и в дополнительных точках для
выявления их пространственной изменчивости и для составления:
а) региональной инженерно-геологической классификации пород,
б) сводного инженерно-геологического разреза отложений района
с выделением характерных контактов, элементов, пачек и массивов
пород и в) обоснования дальнейшего целенаправленного изучения
состава, состояния, свойств и напряжений пород в естественных
условиях и при воздействии сооружений.
Предварительная инженерно-геологическая классификация,
обобщающая данные натурных наблюдений и опробования при
картировании, состоит из двух частей: в первой из них приводят-
ся комплексы и типы пород и их состояние, характеризуемые по
полевому описанию; во второй части приводятся обобщенные
классификационные показатели свойств и состояния пород. В за-
вершающей графе указываются инженерно-геологические элемен-
ты и пачки пород, обозначаемые буквенными и цифровыми индек-
сами с краткой текстовой характеристикой и величинами показа-
телей физико-механических свойств.
Изучение прочности пород методами картирования. Определе-
ние сопротивления сдвигу неоднородных глинисто-обломочных по-
род из зон выветривания и смещения оползней, пролювиальных,
склоновых и других затруднено прямыми методами, так как обыч-
но невозможно отобрать монолиты и провести опытные сдвиги
на приборах, особенно в районах с расчлененным рельефом. Для
изучения показателей прочности подобных пород рекомендуется
использовать метод «обратных расчетов», которым определяют
осредненное значение сопротивления сдвигу по поверхности сме-
щения, учитывающее состояние пород и напряжения на поверхно-
63
сти ослабления. Среднее сопротивление сдвигу рассчитывается по
материалам детального инструментального (обычно с помощью
фототеодолита) инженерно-геологического картирования склонов,
где возникали недавние оползни и образовывались ниши отрыва.
Метод «обратных расчетов» основан на предположении, что в мо-
мент начала движения оползневого тела сдвигающее усилие, обус-
ловленное его массой, равно среднему значению минимального со-
противления сдвигу пород вдоль поверхностей смещения разных
очертаний.
Картирование обводненности массива пород и территории. Об-
следование состояния сооружений и эффективности защитных ме-
роприятий. Изучение подземных вод как важного инженерно-гео-
логического фактора начинается при картировании и продолжает-
ся другими методами при последующих стадиях. Основными за-
дачами является установление:
— закономерностей формирования, путей движения, мест, ус-
ловий разгрузки гидравлической взаимосвязи подземных вод, со-
держащихся в разных комплексах пород и в складчато-разрывных
структурах, а также дренирование вод эрозионной сетью;
— степени неравномерности и сезонности обводнения разных
литологических слоев, пачек и массивов пород, складок, разломов,
зон трещиноватости, выветривания и различных генетических ти-
пов четвертичных отложений;
— режима обводнения территории и массивов пород, обус-
ловленного рельефом и резко различной инфильтрацией снеговых,
дождевых и техногенных вод.
Картирование гидрогеологических элементов — родников, пла-
стовых выходов, сезонных и постоянных мочажин, мест с обиль-
ной растительностью и выцветами солей, их геоморфологической
приуроченности, описание водосодержащих пород и замеры рас-
ходов воды должны проводиться с использованием аэрофототео-
долитных снимков или с инструментальной привязкой. Метеоро-
логические и гидрологические данные, необходимые для анализа
гидрогеологических условий, заимствуются из материалов Гид-
рометслужбы, пополняя их наблюдениями за уровнями паводков
на бортах оврагов, за расходами действующих водотоков и т. д.
Изучение химического состава подземных вод осуществляется для
обоснования стратификации и приуроченности их к литологическим
комплексам пород и разломам, для общей характеристики агрес-
сивности по отношению к породам и бетону.
Наблюдения за состоянием сооружений и эффективностью за-
щитных мероприятий. Обобщение опыта строительства, анализ
состояния существующих сооружений и эффективности укрепитель-
ных мероприятий имеет большое значение для оценки инженерно-
геологических условий. Необходимо выборочно обследовать со-
стояние различных сооружений, рассмотреть вероятные причины
деформаций, увязав их с конкретными условиями участка. Систе-
матизированные данные этого обследования являются критериями
для оценки инженерно-геологических условий других аналогичных
64
участков и для обоснования защитных мероприятий. При мелких
масштабах картирования предполагаются осмотр сооружений,
описание и фотографирование малогабаритной установкой дефор-
маций, сбор данных о их развитии и вероятных причинах. При
крупномасштабном картировании необходимо детальное обследо-
вание типичных деформированных сооружений и их оснований с
применением разведочных и других работ, дающих возможность
выявить причины в реальных инженерно-геологических условиях.
Для выяснения причин деформации целесообразно выборочно об-
следовать устойчивые сооружения, находящиеся в аналогичных
инженерно-геологических условиях.
Нередко деформации зданий, полотна дороги и других объектов,
недействующий дренаж, малая эффективность подпорных стен
объясняют воздействием геологических процессов, в то время как
фактические причины заключаются в несоответствии конструкции
сооружения инженерно-геологическим условиям, некомплексности
защитных мероприятий, осуществлению строительства и эксплуа-
тации с отступлением от проекта или при низком качестве. При
обследовании состояния сооружений и эффективности защитных
мероприятий собирают следующие сведения:
— об инженерно-геологических условиях участка, в том числе
о режиме подземных вод и мерзлотных процессах;
— о конструкции сооружения — типе и глубине заложения
фундамента, о способах и времени производства строительных
работ;
— о виде и истории развития деформации сооружений: связа-
ны ли они во времени с изменением условий эксплуатации, утеч-
ками хозяйственных вод, поливами, откачками подземных вод, со-
зданием отвалов, новым строительством, а также имеется ли связь
деформаций во времени с землетрясениями, катастрофическими
подмывами, ливнями и другими внезапными природными процес-
сами;
— о состоянии и эффективности поверхностных водоотводов,
дренажей, подпорных и волнозащитных стен, спланированных ча-
стей, контрбанеттов, о креплении откосов в полосе воздействия
волн и течения рек, о противоэрозионных мерах на склонах и в
руслах оврагов, о защите от камнепадов, о лесомелиоративных и
иных мероприятиях.
Особыми случаями являются деформации сооружений и нару-
шение общей устойчивости территории в зоне влияния открытых
или шахтных разработок месторождений полезных ископаемых,
а также при длительных откачках подземных вод с большими по-
нижениями.
§ 2. ДОКУМЕНТАЦИЯ, НАБЛЮДЕНИЯ
И ОПРОБОВАНИЕ ПРИ РАЗВЕДОЧНЫХ
РАБОТАХ С ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ
ЦЕЛЯМИ 1
Региональные закономерности и геологические гипотезы, выяв-
ленные при инженерно-геологическом картировании, должны быть
подтверждены данными разведочных (буровых, горных, геофизиче-
ских) и опытных работ. В главе I отмечалось, что научный уро-
вень изысканий и их экономическая эффективность заключаются
в обоснованном определении минимально необходимых (оптималь-
ных) видов и объемов разведочных работ, при выполнении кото-
рых предъявляются специфические требования к документации,
наблюдениям и опробованию в целях получения максимума ин-
формации. Выбор наиболее рациональных методов разведки, обо-
рудования и технологии бурения — одна из задач инженера-гео-
лога, решаемая совместно со специалистами по геофизической раз-
ведке и технике разведки.
Иногда в соответствии с особыми задачами изысканий кроме
бурения скважин обычной конструкции применяется проходка спе-
циальных скважин диаметрами до 1300 мм: для испытаний на
больших кернах сопротивления сдвигу, одноосного сжатия и дру-
гих свойств пород; для специфических опытно-фильтрационных ис-
следований (рис. 3.1); для выполнения в скважинах, пройденных
с особым режимом бурения, испытаний штампами модуля дефор-
маций, поинтервального или сплошного инженерно-геологического
и гидрогеологического опробования пород разреза. В целях повы-
шения качества документации разреза выполняются фотографи-
рование в масштабе стенок скважин и кернов (рис. 3.2), позволя-
ющие фиксировать все слои, залегание, трещины, карстопроявле-
ния, зоны дробления и высачивание воды. Одновременно с бу-
ровой разведкой выполняются различные геофизические каротаж-
ные работы, уточняющие положение пластов и трещин в массиве,
интервалы высачивания и поглощения вод в скважине и позво-
ляющие путем расчетов перейти от геофизических показателей
пород на образцах (кернах) скважин к измерениям в натуре на
ее стенках.
Документация разведочных штолен, шахт, шурфов и расчисток
должна быть предельно детальной, и при описании пород, трещин
и залегания, включений и изменчивости водопроявлений и других
1 Предполагается, что студенты знакомы: с методами разведочного бурения
и горнопроходческих работ; с оборудованием, технологией и техникой безопас-
ности; с выполнением и оборудованием для фильтрационных и геомеханических
натурных опытов и режимных наблюдений; со специальными геофизическими
исследованиями; с фотограмметрическими работами н др.
В этом и последующих параграфах рассматриваются задачи и требования к
полевым инженерно-геологическим работам, которые должны быть отражены в
программах изысканий, а результаты использованы в инженерно-геологических
отчетах и заключениях.
66
Рис 3 1 Керн (</ — 1300 мм) закарстованных известняков нижней перми с
зча .ка пютины Павтовскои ГЭС на р Уфе
особенное теп вскрытого массива необходимо помимо обычных из-
мерений широко применять малогабаритную фотокамеру с даль-
нейшей обработкой на сгереоавто! рафе
Гидрогеологическая документация и опробование скважин
предполагают как обычное определение глубины вскрытия и уста-
новившихся уровнен подземных вод с проведением изоляции одно-
го водоносного пласта или зоны от другого, гак и специальные
поинIервальные измерения пьезометрических уровней и гидравли-
ческой связи между горизонтами с помощью двойных тампонов.
Обеспечение максимальной! информации от" разведочных работ
при опшмалыюм их объеме требует от инженера-геолога общего
знания видов, оборудования, технологии и возможностей бурения,
умения сочетать его с другими методами разведки и с разного ро-
да исследованиями, проводимыми в скважинах. Избыток бурения
и иных разведочных выработок свидетельствует о недостаточной
квалификации leouora.
Стремление облегчить выполнение разведочных работ и одно-
временно получить приближенные данные о состоянии и свойст-
вах песчаных и глинистых грунтов привело к разработке методов
и соответствующего оборудования для статического и динамиче-
67
ского зондирования (пепетрации) оi тельного и в сочетании с ка-
ротажными работами При изысканиях на больших площадях за
стройки и орошения, по трассам каналов и в ряде других случаев
в областях распространения песчаных и глинистых пород целесо
образно значительную часть разведки осуществлять пенетрациоп-
но-каротажными методами, а бурение и изучение свойств грунтов
на кернах рассматривать как эталонные
Грунтоносы предназначены для отбора образцов-монолитов из
скважин с естественной структурой и влажностью песчаных и гли-
нистых грунтов, включая заполнитель крупных трещин различнон
плотности и водонасыщенности Разработаны и применяются мно-
гочисленные разновидности грунтоносов, конструкции которых дол-
жны удовлетворять следующим
требованиям при отборе моноли-
тов
— из плывунных песков, илов
и мягких грунтов наиболее целе-
сообразны поршневые тонкостеп
ные грунтоносы, создающие
удерживающий вакуум, а также
с внутренними пластмассовыми
[ильзами или фольгой для коп
сервации грунта (рис. 3 3, Л);
— из плотных глин и анало
гичных грунтов во избежание
нарушения структуры необходи-
мо применять обуривающие дву
трубные грунтоносы с внутрен-
ними гильзами дтя монолитов
(рис 3 3, Б);
— диаметр грунтоноса вы
бираегся с учетом неоднородно-
стей грунта и включений в нем,
а также размеров лабораторных
приборов, на которых будут за-
тем выполняться испытания
Инженерно-геологическое оп-
робование — один из методов
Рис 3 2 Фотодокументация скважин,
керны известняков из скважины на
участке плотины Чиркейской ГЭС в
интервале 3,7—32 м
комплексных инженерно-геологи-
ческих исследований, предназначенный ^для изучения из-
менчивости состава, состояния и свойств геологических
тел разных уровней и получения их обобщенных показа-
телей Система опробования должна учитывать особенности
разреза, стадию изысканий, тип сооружения и характер его взан^
модействия с геологической средой Изменчивость показателей
осадочных пород обусловлена осадконакоплением и литогенезом,
и поэтому формирование свойств надо рассматривать как де-
терминированный процесс, осложненный случайными компонента-
ми Для разных геотогических тел существуют свои режимы из-
68
менчивости показателей состава, состояния и свойств пород.
Г. К. Бондарик (1968), Н. В. Коломенский (1968) и другие выде-
ляют стационарный и нестационарный (скачкообразный) режимы.
Системе опробования, в том числе отбору монолитов для де-
тального изучения или натурных опытных испытаний, должны
предшествовать массовые определения простейших показателей, по
которым устанавливается режим изменчивости. Подобная система
инженерно-геологического изучения пород обеспечивает достовер-
ность результатов и должна предотвратить существенные неожи-
данности.
Геофизические исследования при инженерно-геологических
изысканиях. Различные методы геофизических исследований при-
меняются для решения большого числа инженерно-геологических
задач. Каждый метод изучения геологической среды имеет свои
пределы применения и достоверности результатов. Сейсмо- и элек-
троразведочные, радиоволновые и другие инженерно-геофизические
методы имеют значительные преимущества, так как характеризу-
ют не образец, а массив пород или его часть. Но в этом заключе-
ны ограниченность методов и условность их результатов, так как
обычно массивы неоднородны, трещиноваты, различно напряжены
и обводнены. Поэтому проведение только геофизических работ
без эталонных разрезов, скважин, опытов и иных экспериментов,
выполненных традиционными инженерно-геологическими метода-
ми, неправомерно и методически необосновано. Необходимо со-
поставление показателей свойств пород, строения и других компо-
нентов среды, определенных разными методами. Это обеспечивает
достоверность инженерно-геологической интерпретации данных
геофизических исследований, которые эффективны и менее трудоем-
ки по сравнению с разведочными работами; в ряде случаев они
позволяют получать ориентировочные данные о таких показате-
лях геологической среды и техногенных факторах, которые трудно
установить традиционными методами.
Все инженерно-геофизические методы должны применяться в
комплексе с другими методами, в последовательности и видах,
вытекающих из задач инженерно-геологических изысканий и осо-
бенностей геологической среды. Нередко результаты инженерно-
геофизических работ позволяют более всесторонне, объемнее
анализировать и оценивать инженерно-геологические условия.
§ 3. НАТУРНЫЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ
И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Необходимость достоверно оценить различные свойства и состоя-
ние неоднородной геологической среды обусловило разработку и
применение разнообразных методов натурных экспериментов, поз-
воляющих охарактеризовать большие объемы пород в условиях
естественного залегания (по сравнению с испытаниями на образ-
цах). Опытные (полевые) работы достаточно трудоемки и должны
проводиться целенаправленно для получения надежной информа-
69
ции. По своему назначению эти опыты предусматривают получе-
ние: а) классификационных характеристик геологической среды и
ее инженерно-геологических элементов, данных об опасных для
сооружения зон и о различных корреляционных связях между свой-
ствами образцов и массива; б) расчетных значений показателей
свойств и состояния отдельных типов пород, элементов и масси-
вов, отражающих реальный механизм взаимодействия геологиче-
ской среды и сооружения, а также вида и механизма возникающих
процессов, что определяет проведение не стандартных испытаний,
а обязательно целенаправленных.
Опыты первой группы обычно проводятся в массовом количе-
стве по ускоренным схемам на типичных разрезах; к ним можно
отнести кратковременные поинтервальные нагнетания и откачки,
испытания плотности и состояния грунтов методами вращательно-
го среза, искиметрии и пенетрации (зондирования). Опыты второ-
го вида требуют разработки специальной методики проведения
применительно к конкретным инженерно-геологическим условиям,
к размещению и воздействию сооружений, к реальным напряже-
ниям и механизму деформаций пород и к характеру оцениваемого
процесса. Полевые эксперименты — важнейший и обязательный
вид инженерно-геологических изысканий для обоснования проек-
тирования и строительства крупных сооружений. Среди них наи-
более сложным является моделирование в естественных условиях
процессов деформаций пород (оползней, просадок, эрозии, абра-
зии) и воздействия фильтрационных потоков подземных вод (суф-
фозии, выщелачивания, гидродинамического воздействия) на со-
стояние массива.
Опытио-фильтрациониые работы. При инженерно-геологических
изысканиях широко применяются различные опытные фильтраци-
онные работы для решения следующих задач:
— сравнительной характеристики трещиноватости пород и их
ориентировочной водопроницаемости методами поинтервальных
кратковременных нагнетаний, наливов воды и откачек в скважи-
нах;
— изучения трещиноватости пород методом поинтервальных
нагнетаний воздуха в «безводных» скважинах;
— изучения суффозионной устойчивости (размываемости) тре-
щиноватых пород методом комбинированной откачки — нагнета-
ния воды в скважинах и на специальных опытных площадках;
Рис. 3.3. Грунтоносы для отбора монолитов из скважин: А — поршневые, тон-
костенные с гильзами для водонасыщенных песков, илов и других мягких грун-
тов; Б — обуривающие двутрубные с гильзами для плотных глин.
1 — головка пробоотбирателя; 2 — цилиндр для шлама; 3 — затвор поршне-
вого штока (конический); 4 — головка внешней трубы; 5 — цилиндр; 6 —
вдвижная стальная труба; 7 — головка внутренней трубы; 8 — внешняя труба;
9 — гильза из пластмассы; 10 — внутренний цилиндр; 11 — сцепление цилинд-
ра с трубой; 12 — обуривающие лопасти; 13 — поршневой комплект; 14 —
режущая труба из нержавеющей стали; 15 — режущий торец; 16 — режущий
башмак внутренней трубы; 17 — вакуум-прерыватель
71
Рис. 3 4 Изучение размываемости трещиноватых пород в
Д — одновременное нагнетание в скв «а» и для создания
нии, измерение расходов Q
Б — в подземной камере, нагнетание в скв «а» и наблюдение
скважинах, подземных выемках и откосах
сосредоточенного потока откачка из скв «б» при пониже
и выносимого материала,
за расходом Q и выносимым материалом в скв «б»,
— определения водопроницаемости пород откачками на опыт-
ных узлах скважин по различным расчетным схемам, методикам
и с учетом фильтрационной неоднородности и анизотропии пород,
а также наливами воды в шурфы и кусты скважин в зоне аэра-
ции;
— определения действительных скоростей потока подземных
вод на опытных площадках и при откачках из узла скважин;
— изучения характера движения и разгрузки подземных вод
в реку, шахту или иную дрену методом пьезометрии и другими ви-
дами гидрогеологического опробования.
Методика, технология, приборы и оборудование для проведе-
ния опытно-фильтрационных работ изложены во многих учебни-
ках, справочниках и руководствах по гидрогеологическим и инже-
нерно-геологическим работам, в частности в руководствах, опуб-
ликованных Гидропроектом по нагнетаниям воздуха (1976), воды
(1978), по наливам в шурфы (1969) и опытным откачкам (1981).
Сложнее изучение в натурных условиях размываемости мас-
сива пород. В практике изысканий применялись методы по следу-
ющим схемам.
По первой схеме (рис. 3.4,Л) изучение размываемости предпо-
лагается на опытном кусте скважин путем одновременных отка-
чек и нагнетания, создания возрастающих скоростей и градиен-
тов фильтрационного потока и наблюдений за количеством выноси-
мого материала, изменением расхода и минерализации воды, ес-
ли в толще присутствуют растворимые породы. Устанавливаются
критические значения гидравлического градиента, при котором
действительная скорость фильтрации и размыв резко увеличи-
ваются.
По иной схеме изучалось воздействие фильтрационного потока
на массивы пород с трещинами и тектоническими зонами, содер-
жащими заполнитель. На стенках штольни или подземной камеры
либо на откосе котлована, укрепленных бетонной плитой для пред-
отвращения высачивания воды, бурятся скважины вдоль (рис. 3.4,
В) или вкрест (рис. 3.4, Г) простирания крупных трещин и зон,
в одну из которых («а») производится нагнетание воды, а в дру-
гой («б») ведутся наблюдения за расходами и выносимым мате-
риалом. Подобные опыты, выполненные в трещиноватых извест-
няках основания Ингури ГЭС, выявили критические градиенты
потока и установили связь между влажностью и плотностью за-
полнителя трещин и показателями его размываемости. Суффо-
в, Г — в стенках и на дне котлована или подземной камеры для изучения раз-
мываемости заполнителя трещин и зон: В — вдоль и Г — вкрест их простира-
ний. Нагнетание в скв. «а» и наблюдения за расходом и выносимым материалом
по скв. «б».
I — манометр, показывающий давление нагнетаемой воды; 2 — стенка бе-
тонная, закрывающая высаливание воды из трещин; 3 — трещина или зона с
заполнителем; 4 — тампон; 5 — насос; 6 — наблюдательные скважины в це-
лике между трещинами; 7 — измерительный сосуд
73
Разрез дилатометра
12500 2630
2000 , 2000
зионную устойчивость толщи пород под воздействием фильтраци-
онного потока также можно оценить проведением опытных нагне-
таний в скважину, заложенную в стенке штольни, фиксируя рас-
ходы воды и вынос материала при разных градиентах по другой
скважине (рис. 3.4,Б).
Методика проведения опытов по схеме «нагнетание — откач-
ка» или в зависимости от скоростей фильтрационного потока име-
ет слабые стороны, заключающиеся в недостаточно четких гид-
равлических характеристиках потока, так как часть нагнетаемых
вод растекается в стороны от изученного целика, а в скважину,
куда поступает вода (опыт «Л»), имеется подток из прилегающе-
го массива
Сопротивление волновому размыву пород в условиях естествен-
ного залегания изучалось в опытных траншеях на бечевниках
р. Камы в период проведения инженерно-геологических исследова-
ний по району Нижнекамского водохранилища в связи с прогно-
зом переработки берегов Опыты осуществлены по специально раз-
работанной методике (А. С. Судольский) под руководством
Г. С. Золотарева и Н Е Кондратьева на оборудовании, имевшем-
ся в изыскательской экспедиции Гидропроекта. В траншеях дли-
ной 30—40 м, стенки и дно которых были закреплены и не размы-
вались, открытым оставался один откос, воспроизводящий берег
будущего водохранилища, подвергавшийся воздействию волн вы-
сотой до 0,8—0,9 м в заданном штормовом режиме.
Опытные геомеханические работы. Механические свойства и со-
стояние пород в условиях естественного залегания изучаются раз-
нообразными методами в целях наиболее достоверного определе-
ния деформируемости, прочности, напряженного состояния и поро-
вого давления. Основное преимущество полевых опытов изучения
механических свойств пород заключается в том, что в испытание
вовлекается объем пород, позволяющий в известной мере учесть
влияние литологической неоднородности, трещиноватости, текстур-
ных и иных особенностей, а также характеризовать обломочно-
глинистые грунты.
Рис 3 5 Схемы опытных установок для определения деформационных свойств-
пород в условиях естественного залегания
А — в скважине до глубины 30—40 м 1 — упорная балка, 2 — компенсатор
давлеийя, 3 — анкерная свая, 4 — самописец, 5 — штамп металлический, дис-
ки 276 мм, 6 — опорная колонна, 7— гидравлические домкраты
Б — в скважине до глубины 60—80 м, зондажный дилатометр (прессиометр)
диаметром 300 мм (по Бр Куюнджичу) 1 — насос, 2 — лебедка, 3 — прибор
для измерения деформаций, 4 — дилатометр
Б — в опытной камере 1 — бетонный штамп, 2 — упор, 3 — домкраты по
200 т, 4 — кровля пород, 5 — опытная камера, 6 — штольня, 7 — устье штоль-
ни; 8 — направление давления в пятах плотины с азимутом 330°, 9 — шпуры
вокруг штампа для определения сферы его влияния в породах, по показателю
Vp
Г — в опытной траншее, штольне или туннеле «гидравлический диск» (по
Бр. Куюнджичу) 1 — компенсатор; 2 — насос, 3 — бетон, 4 — металлический
диск, 5 — подставка деревянная, 6 — прибор для измерения давления, 7 —
дефлактометр
75
Штампы и другие виды опытных установок создают в породах
дополнительные напряжения, которые в неоднородных массивах
имеют сложные контуры распространения и затухания. Сфера
распределения этих напряжений должна учитываться при расче-
тах показателей деформируемости и прочности, в связи с чем не-
обходимы дополнительные наблюдения, например с помощью сейс-
моакустических методов. Величины деформируемости и прочности
массива по разным сечениям будут неодинаковыми, и выбор по-
казателей свойств определяется задачей опытных испытаний, т. е.
направлениями и величинами сил от возводимого сооружения,
возникающими касательными и иными напряжениями при созда-
нии котлованов и выемок, в том числе подземных. Одно из важ-
ных условий — проведение опытов при напряжениях, соответст-
вующих природным и тем, которые возникнут при создании со-
оружения. Таким образом, сложные натурные геомеханические
исследования следует выполнять целенаправленно, исходя из
представлений о неоднородности и анизотропности массива пород,
о схеме приложения дополнительных сил и о вероятном изменении
напряженного состояния.
Определение деформационных свойств. В практике изысканий
применяются три основные группы методов определения сжимае-
мости, деформируемости пород с различными модификациями
опытных установок. Первая — опыты в скважинах с применени-
ем: а) нагружаемых штампов и б) дилатометров (прессиометров)
разнообразных конструкций. Вторая — опыты с нагружаемыми
штампами, выполняемыми в шурфах и подземных камерах; тре-
тья — с помощью плоских домкратов (гидравлических дисков,
подушек) в относительно узких прорезях, создаваемых в штоль-
нях, туннелях и других выемках. Принципиальные схемы опытных
установок приведены на рис. 3.5, а также в «Методических реко-
мендациях» (1984) и разных инструкциях.
Дилатометры (прессиометры) предназначены для определения
модуля деформации на разных глубинах одновременно в двух или
трех скважинах в зависимости от конструкции (рис. 3.5,5), в го-
ризонтальных направлениях, что позволяет охарактеризовать ани-
зотропию массива, учесть влияние трещин и неоднородности по-
род. По данным Бр. Куюнджича, деформируемость массива ниж-
неюрских известняков участка Грончарово ГЭС (Югославия), из-
меренная в скважинах дилатометром диаметром 300 мм, харак-
теризуется модулями (£о) на глубине 67,4 м по одному направле-
нию 5,1 и по другому — 12,0 МПа. Деформационные свойства
пород с помощью прессиометров определяют при изысканиях для
плотин, подземных и других сооружений, возводимых на прочных
трещиноватых породах, что в сочетании с сейсмоакустическим ка-
ротажем в скважинах дает достаточно объективные результаты.
Метод эффективен для проверки качества укрепительных инъек-
ций массива пород.
Опыты в подземных выработках (рис. 3.5,5) ставятся для изу-
чения модулей упругости и общей деформации в скальных поро-
76
дах, в разной степени трещиноватых и выветрелых, в связи с про-
ектированием бетонных плотин и других сооружений, оказываю-
щих на массив значительные дополнительные нагрузки (до
10 МПа). Большое внимание следует уделять выбору местополо-
жения штампов и давления, которые учитывали бы направление
сил от сооружений и были бы типичными по литологическим осо-
бенностям и трещиноватости изучаемых пород. Учет неоднородно-
сти массива пород и масштабного эффекта осуществляется с по-
мощью сейсмоакустических характеристик vp и. проведения опытов
со штампами разных размеров.
Метод «гидравлического диска» (подушки) широко применя-
ется в ряде стран и имеет преимущества перед другими метода-
ми, так как позволяет устанавливать диск диаметром 150—200 см,
передающий давление на породу в вертикальном, горизонтальном
и наклонном положениях, в соответствии с поставленной задачей,
текстурой и трещиноватостью массива. Прорези, в которые уста-
навливается опытный диск, имеют ширину 60 см и глубину 4 м,
проходятся алмазной пилой, что вызывает минимальное разуплот-
нение пород; схема установки с гидравлической подушкой пока-
зана на рис. 3.5, Л
Определение прочности пород. Натурные опыты позволяют оп-
ределять сопротивления сдвигу грунтов: а) неоднородных по со-
ставу и текстуре; б) по заданным зонам ослабления и трещинам;
в) на монолитах разного размера для учета масштабного факто-
ра. Несмотря на трудоемкость полевых испытаний, они широко
применяются при детальных изысканиях. Разработано несколь-
ко методов и модификаций опытных установок для разных пород
и механизма сдвига. До начала опытов определяется технология
их проведения в соответствии с поставленной задачей — воспро-
изведением в конкретной породе процесса ее разрушения при сдви-
ге под воздействием сооружения или при изменяющейся природ-
ной обстановке. Следует учитывать, при каких напряжениях,
влажности, сохранности структуры и плотности производятся сдви-
ги, отвечающие реальным природным условиям и процессам де-
формаций пород. Это существенно, так как нередко при подготов-
ке целика (монолита) к испытанию происходят разуплотнение по-
роды и изменение влажности, что искажает результаты экспери-
мента.
Результаты опытов будут различными при испытании штампа-
ми в зависимости от того, как направлены вертикальная сжимаю-
щая и горизонтальная сдвигающая силы по отношению к слоисто-
сти, преобладающей трещиноватости и как распределяются в це-
лике напряжения. Исследования Ю. А. Фишмана (1977) показа-
ли, что при наклонном (безмоментном) приложении сдвигающей
силы (рис. 3.6) параметры сопротивления сдвигу получаются зна-
чительно выше, чем при действии горизонтального (моментного)
сдвигающего усилия, так как во втором случае в породе возника-
ют растягивающие напряжения, снижающие ее прочность
(рис. 3.7). Схемы и методика экспериментов определения сопро-
77
Рис 3 6
Рис. 3 6 Установка для опытов по сдвигу целнка по нефиксированной поверх-
ности
1 — бетонные плнты, упорные; 2 — домкрат, 3 — наклонная сдвигающая сила,
безмоментное нагружение; 4 — вертикальная нагрузка, 5 — измерители (мес-
суры и др ) вертикальных деформаций; 6 — то же для горизонтальных смеще-
ний; 7 — обойма, предохраняющая целик от локальных разрушений
Рнс 3 7 Напряжения в бетонном штампе и основании при приложении гори-
зонтального сдвигающего усилия Т (по Ю А. Фишману)
Изолинии наименьших главных напряжений в долях от тср = 77&; знак « + » —
сжатие; «—» — растяжение
Рис. 3.7
тивления сдвигу должны быть различными для исследований ос-
нований бетонных плотин или для изучения устойчивости оползне-
вых склонов.
Существенны различия определения показателей сопротивле-
ния сдвигу полевыми методами у просадочных лёссов, мало- и
сильнолитифицированных глин, обломочно-глинистых образова-
ний кор выветривания, склоновых пролювиальных и других неод-
нородных отложений. Важное значение приобретает установление
зависимостей прочности от влажности, количества обломочного
материала, величин нормальных сил (напряжений) и от возникно-
вения пластических деформаций грунта.
Метод «обратных расчетов», основанный на данных детального
картирования недавних оползней, в целях определения осреднен-
ных характеристик прочности во многих случаях является един-
ственным, так как практически нет возможности выполнить пря-
мые натурные испытания на горных склонах, в породах зоны вы-
ветривания, в крупнообломочных пролювиальных и оползневых на-
коплениях. Результаты «обратных расчетов» подкупают с позиций
78
объема грунтового массива, с учетом разных факторов, но содер-
жат условности, присущие примененным расчетной схеме и методу.
Натурное изучение напряжений. Величины, распределение и
режим напряжений в земной коре необходимы для целенаправлен-
ной оценки и прогноза многих процессов: землетрясений природ-
ных и наведенных; состояния деформаций массивов пород при со-
здании туннелей и подземных камер, используемых для ГЭС и
промобъектов; нарушения общей и локальной устойчивости высо-
ких оползневых склонов и бортов глубоких карьеров; сдвижения
пород при горных разработках полезных ископаемых и интенсив-
ных откачках подземных вод. Для установления величин простран-
ственной и временной изменчивости многокомпонентных полей на-
пряжений в структурных элементах в практике инженерно-гео-
логических изысканий и в горном деле используются натурные ме-
тоды, которые можно объединить в четыре группы: I) геологи-
ческие; 2) геофизические, в первую очередь сейсмоакустический
и радиометрический; 3) геомеханические — разгрузки и компен-
сации и 4) гидравлические — гидроразрывы.
Геологические методы, разрабатываемые О. И. Гущенко (1979),
В. Д. Парфеновым (1981, 1984) и другими, позволяют судить на
основе анализа остаточных разрывов, характера их поверхностей,
наличия борозд перемещений и по другим структурным призна-
кам о палеонапряжениях и о примерном положении их тензора,
без данных о величинах современных действующих напряжений.
Сведения о палеонапряжениях важны для реконструкции геоло-
гической истории района и формировании структур, а с учетом
унаследованное™ их развития полезны для понимания и интер-
претации современных тектонических полей, показатели которых
измерены прямыми методами в отдельных точках массива.
Сейсмоакустическиё методы определения напряжений в масси-
ве пород широко применяются в горном деле, периодически ре-
гистрируя их возрастание в межкамерных целиках как критерий
опасности их разрушения, а также для решения других задач. Ос-
новной сейсмоакустический метод, внедренный в практику изыс-
каний, назван тарированным (корреляционным) и исходит из по-
ложения, что скорость упругих волн vp зависит от напряжений для
блока или массива конкретных пород с присущей им неоднород-
ностью, трещиноватостью и обводненностью. Изучаемая часть
массива в подземной выработке прозвучивается с помощью серии
разнонаправленных шпуров, и по величинам \vplvp определяется
ориентировочное положение эллипсоида напряжений. Для нахож-
дения количественных значений напряжений надо установить на
«средних» монолитах, наиболее типичных для изучаемой части
массива, зависимости vp от о. В целях большей достоверности
результатов эксперименты выполняются на разных базах сейсмо-
акустических измерений.
В стадии экспериментального совершенствования находится
«сейсмоакустический вариант метода разгрузки» (Савич и др.,
1984), который базируется на положении, что в круглой подзем-
79
ной выработке возникают радиальные деформации, зная которые,
по уравнению, связывающему упругие и деформационные свойст-
ва пород с напряжениями, можно рассчитать величины последних.
Геомеханические методы относятся к прямым и основаны на
непосредственном определении смещения породы в стенках выра-
боток с последующим расчетом напряжений по изученным на об-
разцах показателям модуля деформации и коэффициента Пуас-
сона по формулам теории упругости со всеми вытекающими из
этого неточностями, обусловленными дискретностью массива. Из
двух модификаций метод «разгрузки» значительно чаще применя-
ется в практике изысканий, чем метод «компенсации»; разработа-
ны разнообразная измерительная аппаратура и способы проведе-
ния испытаний.
Метод «разгрузки» состоит в фиксировании микродеформаций
расширения керна породы при его обуривании в скважине и изме-
рении их датчиками, установленными на торце или внутри керна.
При первом, торцевом, способе измерения (в одной скважине) 2
или 3 тензодатчика наклеивают на пришлифованный забой сква-
жины, и затем при обуривании на длину 30—50 см из-за снятия
Рис. 3.8. Схемы определения напряжений в массиве пород.
Методом разгрузки. Измерение разуплотнения керна: А — в одной скважине с
тремя датчиками на торце керна; Б — в соосных скважинах с деформометром
внутри керна. 1 — первоначальное положение забоя опытной скважины; 2 —
обуривание керна после установки датчиков или деформометра; 3 — наклейка
с тремя датчиками, разноориентированными; 4 — провода; 5 — измерительный
прибор; 6 — обуренный керн; 7 — скважина для деформометра, диаметром 40—
50 мм; 8 — деформометр.
Методом компенсации (В)-, разгрузка напряжений при создании узкой прорези
(/) н измерение деформации разуплотнения породы мессурамн (2), установлен-
ными между штырями; восстановление прежнего положения стенок прорези с
помощью плоского гидравлического домкрата (3), установленного в зацементи-
рованной прорези (4); манометр (5); насос (6); нагнетальная трубка (7)
80
естественных напряжений керн расширяется, что фиксируется дат-
чиками (рис. 3.8,Л). При другом способе — «соосной скважи-
ны» — вначале из забоя скважины большого диаметра (250—
300 м) на выбранном интервале пробуривается измерительная
скважина диаметром 30—40 мм на глубину 40—50 см, в которую
устанавливают деформометр для измерения изменения ее диамет-
ра при последующем обуривании керна большим диаметром
(рис. 3.8,5). Более объективные результаты дает метод соосной
скважины; розетка с наклеиваемыми датчиками или деформометр
устанавливается ориентированно так, чтобы азимуты измеряемых
деформаций и напряжений были бы известны.
Метод «компенсации» основан на измерении деформации по-
род при пропиливании узкой щели в массиве, установке в ней
плоского домкрата («гидроподушки») и последующем создании
им давления, которое восстановило бы прежнее положение стенок
щели. Принципиальная схема опытной установки измерения на-
пряжений по методу компенсации, заимствованная из книги
Бр. Куюнджича (1980), приведена на рис. 3.8,5.
Ограничение применения методов «разгрузки» и «компенсации»
заключается в малой базе измерений; точечный характер измере-
ния величин напряжений, учитывая большое влияние на них мик-
ро- и макротрещин и иных неоднородностей породы, приводит к
значительному разбросу частных значений. Для достоверной кар-
тины напряжений в массиве требуются многочисленные натурные
измерения, тщательный анализ литолого-структурных элементов
массива, фотодокументация и сейсмоакустическое опробование
опытной скважины и завершающая инженерно-геологическая ин-
терпретация результатов.
Метод «гидроразрыва» (гидравлического трещинообразования,
«Hydrofracturing») для определения напряжений применяется в
разных странах в глубоких скважинах, пока в ограниченном объ-
еме из-за сложности оборудования и технологии. Метод перспек-
тивен, так как позволяет измерять непосредственно деформации
пород в скважинах на глубинах в несколько сотен метров, даже
до 2—3 км; не требуется проходки подземных выработок. Метод
гидравлического разрыва состоит в том, что в загерметизирован-
ный с помощью пакеров (тампонов) интервал скважины нагнета-
ется вода и повышается давление до момента, пока не произойдет
внезапное его падение, что соответствует раскрытию трещин в по-
родах, в стенках скважины. В этот момент измеряется давление
Pf в забое скважины. Затем нагнетание воды в расширяющиеся
трещины продолжается; возможно образование трещины длиной
до 100 м и шириной около 1 см. Далее в раскрывшиеся трещины
под тем же давлением нагнетается вода с песком для того, что-
бы трещины не смыкались, когда снизится давление. После вы-
ключения насосов происходит резкое падение давления до вели-
чины, называемой «мгновенным статическим давлением». Ориента-
ция и ширина трещин определяются специальным пакером, име-
ющим особую резиновую оболочку, на которой сохраняются отпе-
81
чатки. Пакер без вращения опускается до глубины исследуемых
трещин, и резиновая оболочка под давлением воды прижимается
к стенке скважины. Отпечатки трещин фиксируются резиновой
оболочкой, что дает представление об ориентации трещин и поз-
воляет рассчитать действующие напряжения. Некоторые факти-
ческие данные измерений напряжений в глубоких скважинах при-
ведены в учебнике «Инженерная геодинамика» (Золотарев, 1983).
§ 4. НАБЛЮДЕНИЯ ЗА РЕЖИМОМ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД, ЭКЗОГЕННЫМИ
ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ
И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ >
Достоверные количественные оценки и прогноз современных гео-
логических и инженерно-геологических процессов, а также факто-
ров и закономерностей их развития невозможны без данных об
интенсивности и масштабности деятельности процессов, о времен-
ной и пространственной изменчивости. Для получения указанных
данных необходимы достаточно длительные режимные наблюде-
ния за процессами и факторами на специально оборудованных
полигонах и в отдельных пунктах изучаемого района, а также пу-
тем повторного картирования. Материалы режимных наблюдений
за процессами и факторами, их вызывающими, проводимые в пе-
риоды строительства и эксплуатации объектов, необходимы для
проверки правильности прогнозов, выданных на стадиях изыска-
ний и проектирования. Эти данные являются основными крите-
риями для суждения о надежности возводимых сооружений и до-
статочности мер инженерной защиты их и окружающей террито-
рии. Далее, результаты режимных наблюдений за состоянием
территории, факторами геологических процессов и их развитием
на полигонах и в отдельных пунктах при условии автоматизации
работ и дистанционной передачи данных могут быть предвестни-
ками опасной активизации процессов и необходимости принимать
срочные, заранее одределенные защитные меры, предотвращая
гибельные последствия и уменьшая материальный ущерб.
Стационарные наблюдения за режимом многофакторных гео-
логических и инженерно-геологических процессов и подземных
вод являются важнейшим видом комплексных исследований. Ме-
тодики режимных наблюдений за геологическими процессами, раз-
вивающимися вне и под влиянием техногенных факторов, в прин-
ципиальных положениях одинаковые, но для инженерно-геологи-
ческих процессов содержат специфические особенности и требова-
1 Изучение режима эндогенных геологических процессов — сейсмичности,
вулканизма и современных тектонических движений — не является непосред-
ственной задачей инженерной геологии; их изучение обычно входит в состав
изысканий как отдельный вид исследований; также не рассматриваются вопро-
сы изучения режима мерзлотно-геологических процессов.
82
ния в связи с характером их воздействия на природную среду, а
также в связи с интенсивностью, неравномерностью, локально-
стью и нестационарностью проявления. Воздействие на геологи-
ческую среду многих факторов — фильтрационных потоков с вы-
сокими градиентами, вызванных созданием гидротехнических со-
оружений, и глубокими водопонижениями; горных разработок с
мощными взрывами; значительных подъемов уровней грунтовых
вод на промышленно-городских территориях и площадях ороше-
ния — является характерным примером развития инженерно-гео-
логических процессов, влекущих существенные материальные по-
тери, приостановку эксплуатации объектов и иные сложности.
Выполнение режимных наблюдений требует целенаправленной
программы, современных приборов и большой тщательности про-
ведения, должного научного уровня и продолжительности. В ком-
плекс инженерно-геологических стационарных работ включаются
наблюдения за состоянием сооружений, расположенных в разных
природных условиях изучаемой территории, а также за эффектив-
ностью осуществленных инженерных мероприятий. Результаты
этих наблюдений следует рассматривать как критерии инженер-
но-геологической оценки состояния территории, основанные на ана-
лизе взаимодействия сооружения и строительных работ с геоло-
гической средой.
Для любого геологического процесса характерно наличие его
составляющих, мест зарождения, переноса и аккумуляции разру-
шенных масс, происходящих на разных участках (районах) с раз-
личными механизмами. В целях выяснения закономерностей и при-
чин развития геологических и особенно инженерно-геологических
процессов организуются режимные наблюдения как за действую-
щими природными и техногенными факторами, так и за процес-
сами и явлениями в целом, за характерными их особенностями.
Установление на основе режимных наблюдений главных природ-
ных и техногенных факторов и закономерностей развития процес-
сов позволяет наметить и осуществить рациональную систему ме-
роприятий по управлению ими и защите от их негативного воздей-
ствия.
Подземные воды. Изучение их режима, составление балансовых
характеристик для массивов ограниченных объемов временной и
пространственной изменчивости степени обводненности и гидроди-
намической зональности территории — основные задачи комплекс-
ных исследований. Изучение режима подземных вод должно осно-
вываться на представлениях о фациально-литологических, трещин-
но-структурных и геоморфологических особенностях района и мас-
сивов пород, в которых эти воды содержатся, движутся и взаимо-
действуют. Созданию наблюдательной сети должно предшество-
вать определение задач изучения режима подземных вод, исходя
из которых для каждой гидрогеологической структуры, водоносно-
го комплекса или горизонта устанавливают виды, количество, ме-
стоположение пунктов и методы наблюдений. Одновременно ор-
ганизуются наблюдения за другими составляющими водного балан-
83
са: за атмосферными осадками, влажностью воздуха, конденса-
цией (например, в глыбовых образованиях или в крупных трещи-
нах и пустотах), испарением и поверхностным стоком, имея в виду
определение степени и режима обводненности площадей освоения
и застройки, а также оползневых, карстующихся и просадочных
территорий.
Особой задачей является изучение режима подземных вод, из-
мененного техногенными факторами вследствие утечек из водоне-
сущих сетей на промышленно-городских территориях; нерегули-
руемых поливов и фильтрации из оросительных каналов; неорга-
низованного сброса хозяйственных и поверхностных вод; создания
водохранилищ и т. д. Указанные факторы во многих случаях оп-
ределяют интенсивный подъем уровней подземных вод, являю-
щихся причиной подтопления территории, обводнения пород, не-
гативных и даже опасных инженерно-геологических процессов —
просадок в лёссах, оползней, активизации карста, деформации со-
оружений и т. д. В подобных случаях изучение режима подземных
вод должно быть организовано таким образом, чтобы получить
данные о характере и значении отдельных техногенных факторов
в целях обоснования инженерных и других мероприятий по пред-
отвращению их отрицательного влияния. Оценка роли природных
и техногенных факторов в формировании и интенсивности подъема
и химизма подземных вод может потребовать проведения допол-
нительных исследований и создания сети наблюдений вне преде-
лов района освоения, в областях питания и разгрузки подземного
потока. Подобная необходимость возникает при изучении гидро-
геологических условий в горных и предгорных областях, когда
движение подземных вод в основном приурочено к зонам тектони-
ческих нарушений или к отдельным пластам складчатых структур,
а разгрузка скрыта под покровом лёссов, склоновых и селевых об-
разований.
При наличии нескольких водоносных горизонтов пункты режим-
ных наблюдений должны быть размещены так, чтобы имелась
возможность судить о характере и наличии прямой или затруд-
ненной гидравлической взаимосвязи. На участках, где естествен-
ный режим подземных вод существенно нарушен глубоким водопо-
нижением из шахт, карьеров, котлованов, туннелей, в задачу на-
блюдений входит определение величин и положения таких гидро-
динамических элементов, как градиенты, скорости и расходы филь-
трационного потока, способных вызвать суффозионные размывы и
выщелачивание по трещинам и пластам, что может привести к де-
формациям в массивах пород и сооружений.
Экзогенные геологические и инженерно-геологические процессы.
Методика изучения их режима — характера, скоростей и количе-
ственных показателей, а также взаимовлияющих природных и тех-
ногенных факторов развития — различна и обусловлена видом
процесса, особенностями геологической среды и задачей исследо-
ваний. В схеме общей классификации (см. табл. 3.1 в книге
Г. С. Золотарева «Инженерная геодинамика», 1983) приведены
S4
основные геологические процессы, их техногенные аналоги и ука-
заны их количественные показатели, по которым можно характе-
ризовать изменения интенсивности, распространения и иные осо-.
бенности. Рассмотрим некоторые особенности изучения режима
наиболее часто встречающихся геологических и инженерно-геоло-
гических процессов.
Выветривание. Механизм, скорость и форма разрушения пород
и новообразования различны в зависимости от их литологическо-
го типа, однородности, залегания, трещиноватости, режима влаж-
ности и температуры, экспозиции микрорельефа участка наблю-
дений, наличия покровных отложений и задернованности. Ско-
рость процессов выветривания, оцениваемая соответствующим по-
казателем (см. «Инженерная геодинамика», 1983), существенно
различна и зависит от того, происходит или нет снос продуктов
разрушения, который определяется в первую очередь осыпанием,
смывом поверхностными водами и размывами. До выбора площа-
док для стационарных наблюдений за скоростью выветривания
пород необходимо выполнить детальное картирование на типич-
ных геоморфологических элементах строения, мощности и распро-
странения зон выветривания с применением горных выработок,
геофизических работ и инженерно-геологического опробования
разрезов.
Опытные участки для изучения скорости выветривания в на-
турных условиях представляют собой (в зависимости от задач ис-
следований): а) расчистки на склонах с заданной крутизной отко-
сов и горизонтальным дном, огражденные от стока поверхностных
вод; б) выемку с откосами разной экспозиции и широким дном,
которое не будет закрыто осыпным материалом (рис. 3.9); в) воз-
можны другие типы выработок.
В начальный период следует наблюдать за разуплотнением
пород и возникновением на откосах и у их бровок микро- и макро-
трещин разгрузки, которые явятся путями проникания в поро-
ду воды и других агентов выветривания. Для установления зако-
номерностей процессов выветривания (помимо проб для изучения
изменения состава, состояния и свойств пород методами грунто-
ведения и геофизическими) целесообразно поставить приборы для
определения годового режима температур и влажности грунтов с
последующими расчетами тепловлагопереноса как фактора вы-
ветривания. При опробовании определяются влажность, объемная
масса, минеральные новообразования (окислы железа, гипс и
т. д.), карбонатность, сопротивление вдавливанию и одноосному
сжатию, сейсмоакустические характеристики, а также выполняют-
ся зарисовки и масштабное фотографирование разреза по отдель-
ным горизонтам выветривания.
Эрозионные и абразионные процессы. Натурные наблюдения за
развитием эрозионных и абразионных процессов предназначены
для получения количественных характеристик и форм размыва по-
род на склонах, в оврагах, селеносных долинах и руслах, на бе-
чевниках рек и отмелях, в подножиях надводных уступов морских
85
м
О
Рис. 3.9. Опытная площадка для изучения скорости выветривания нижнемело-
вых алевролитов района г. Читы; индексами А, Б, В2 и В] обозначены степень
(горизонты) выветрелости
и озерных водоемов в зависимости от гидравлических показателей
и механизмов воздействия водных потоков. Эрозионная и волно-
вая размываемость — наименее изученные свойства пород, и на-
турные определения их показателей требуют продуманного выбо-
ра объектов и методов наблюдений в соответствии с поставлен-
ными задачами. Для каждого литологического типа породы, об-
ладающей присущими ей неоднородностью, выветрелостью, тек-
стурой, трещиноватостью, плотностью, влажностью и иными осо-
бенностями, характерны критические скорости размыва и нели-
нейная зависимость объемов размыва при разных скоростях вод-
ных потоков. Механизмы размыва пород на склонах, в руслах и
на отмелях при эрозионном и волновом воздействиях водных масс
различны и должны характеризоваться разными показателями
сопротивления размыву. Объемы склонового, руслового и волно-
вого размыва пород определяются как скоростями, так и энергией
водных потоков.
Изучая овражную эрозию и подмывы речных берегов: фиксируя
изменения профилей бечевников, дна и бортов оврагов и в при-
урезовой части рек, следует установить количественные зависимо-
66
сти объемов размыва пород определенного состояния с величина-
ми скоростей, расходов и энергией водных потоков с учетом раз-
ных уровней.
Данных только об объемах размыва под воздействием волн
надводных уступов и отмелей и о перемещении линии уреза водо-
хранилища, озера и моря недостаточно, так как они не раскрыва-
ют факторов и механизма абразионных процессов и, следователь-
но, не могут быть основой для прогнозирования. В результате воз-
действия водных масс непрерывно изменяются состояние и свойст-
ва пород, слагающих различные геоморфологические элементы,
снижается сопротивляемость их размыву. На подмываемых скло-
нах и надводных уступах нередко возникают обвалы и оползни,
иногда значительных объемов, выдвигающиеся в реку или водоем
и изменяющие конфигурацию уреза и рельеф, в свою очередь
влияющие на интенсивность воздействия волн и течения реки, на
условия движения и аккумуляции наносов. Такую же роль ока-
зывают селевые выносы, образующие конусы в водоеме, особенно,
если они представлены обломками твердых пород. Следователь-
но, геологические процессы на берегах — оползни, обвалы, селе-
вые потоки и другие, — которые нередко вызываются подмывами,
в свою очередь могут являться факторами, существенно отражаю-
щимися на режиме абразионных и эрозионных процессов; с уче-
том этих прямых и обратных связей необходимо проводить стацио-
нарные наблюдения.
На направленность, интенсивность и режим абразионных и
эрозионных процессов существенно влияют техногенные факто-
ры— отвалы, здания, различные защитные и другие сооружения,
изменяющие скорость и энергию руслового и волноприбойного вод-
ных потоков, замедляющие или усиливающие перемещение нано-
сов. В задачи наблюдений за интенсивностью и формами эрози-
онных и абразионных процессов должны быть включены вопросы
воздействия на их режим техногенных факторов и оценки эффек-
тивности различных защитных мероприятий.
Наиболее сложным является изучение возникновения и движе-
ния селевых потоков. Должны быть организованы наблюдения:
а) на метеорологических и гидрометрических постах за формиро-
ванием селеобразующих водных паводков — ливневых, гляциаль-
ных и прорыва озер, за их скоростями и расходами; б) за обра-
зованием в долине селеобразующих обломочно-глинистых масс —
делювиальных, оползневых, пролювиальных и иных, которые мо-
гут рассматриваться как очаги формирования и пополнения селе-
вых потоков; в) за механизмом и объемами размыва водными па-
водками селеобразующих масс, за возникновением в них сдвиго-
вых деформаций и переходом в движущийся селевой поток; г) за
скоростями и механизмом движения обломочно-глинистых селе-
вых масс; д) за возникновением и прорывами временных заторов
и обусловленными ими режимом и скоростями селевого потока;
е) за составом, плотностью и влажностью движущихся и оста-
новившихся селевых масс и ж) за объемом и составом конусов
87
выноса, образованных как неравномерными волнами отдельных
селевых потоков, так и потоков разных возрастных генераций
Методы изучения режима эрозионных, селевых и абразионных
процессов разнообразны. Это повторное детальное геологическое
картирование на фототеодолитных снимках, выполненных большой
и малой стереокамерами; различные геодезические измерения, ин-
женерно-геологическое опробование размываемых пород; измере-
ния по различным маркам и реперам, заранее заложенным в раз-
мываемые массивы и на поверхности, и т. д. Возникновение экст-
ремальных ситуаций может быть достаточно неожиданным, и по-
этому дистанционные и автоматизированные методы наблюдений
необходимо широко применять.
Склоновые процессы. Многообразие склоновых процессов и
факторов, их вызывающих и взаимодействующих при развитии,
определяют сложность методов и аппаратуры для изучения режи-
ма оползневых, обвально-осыпных, солифлюкционно-десерпцион-
ных и переходных форм движения масс на склонах. Основные за-
дачи изучения режима каждого вида склоновых процессов мето-
дами комплексных стационарных наблюдений формулируются в
следующем виде:
— определение форм и механизма смещения пород на склоне,
отражающихся в характере их деформируемости и текстурных
особенностях, в изменении плотности и состоянии;
— определение величины и скоростей движения масс на по-
верхности, по глубине и площади при каждом проявлении;
— установление возникновения и роста трещин сжатия, ра-
стяжения, сдвига и иных на поверхности и в теле смещающихся
пород в периоды, предшествующие основной подвижке, при ее раз-
витии и в последующее время, в сочетании по возможности с из-
мерением изменений напряжений в характерных точках массива;
— характеристика появления, исчезновения и обильности в
разные по водности периоды года и в зависимости от климатиче-
ских особенностей различных водопроявлений на склонах и в ов-
рагах с одновременным изучением уровенного режима и измене-
ния состава подземных вод;
— описание и анализ данных о деформациях зданий и соору-
жений, в том числе дорог, покрытий, удерживающих стен, сплани-
рованных и присыпанных откосов, расположенных на склоне и
вблизи него, в зависимости от характера и подвижности оползней,
осыпей и т. д.;
— оценка состояния и эффективности осуществленных инже-
нерных, лесомелиоративных и иных мероприятий по обеспечению
общей устойчивости склона и отдельных его частей применительно'
к виду процесса, а также по защите от эрозионного и абразион-
ного воздействия поверхностных вод.
Выбор объектов для изучения режима склоновых процессов, их
размещение, содержание, методика и технические средства для вы-
полнения наблюдений обусловлены общими задачами инженерно-
геологических исследований, сложностью геологической среды, ха-
88
рактером изучаемых процессов, требованиями использования дан-
ных наблюдений для количественного, пространственного и вре-
менного их прогноза и для региональной экстраполяции.
Рекомендации по проведению режимных наблюдений за ополз-
невыми процессами изложены в руководствах, опубликованных ин-
ститутом ВСЕГИНГЕО (1982, 1984); в известной мере они могут
быть использованы и для других склоновых процессов. Наряду с
характеристикой режима изучаемого процесса и результатов дей-
ствия по новообразованиям большое внимание должно уделяться
основным и сопутствующим факторам -развития процесса для ус-
тановления их значения и обоснования мер по его регулированию
и защите от негативных последствий. Такими взаимообусловлен-
ными факторами являются: а) выветривание, обводнение, выще-
лачивание, суффозия и механические разрушения при тектониче-
ских подвижках, изменяющие прочностные свойства пород масси-
ва, отдельных слоев по трещинам, потенциальным поверхностям
и зонам смещения; б) подмыв склона рекой, морем и водохрани-
лищем; в) режим подземных вод и увеличение гидродинамическо-
го давления, силовое сейсмическое и вибрационное воздействие,
изменяющее напряженно-деформированное состояние массива;
г) нерациональная строительная и иная деятельность человека
(техногенные факторы), изменяющая прочность и напряженное
состояние пород. Растительность, климатические, метеорологиче-
ские, гидрологические и другие сопутствующие природные факто-
ры, влияющие на развитие и режим склоновых процессов, оцени-
ваются по данным изучения государственной сети гидрометеообсер-
ваторий, дополняющимся специальными наблюдениями по гидро-
постам и метеопунктам, организуемым непосредственно в районе
инженерно-геологических работ.
Обобщение материалов режимных наблюдений как непосредст-
венно за процессами и результатами — новообразованными или
измененными геологическими явлениями, так и за основными фак-
торами позволяет установить прямые и косвенные зависимости
между ними, пространственные и временные закономерности их
развития, количественные характеристики процессов и отдельных
факторов, которые являются основой для прогнозов и обосновани-
ем системы и последовательности осуществления защитных ме-
роприятий.
Среди разнообразных методов и аппаратуры по изучению ди-
намики склоновых процессов и факторов, их обусловливающих,
состояния смещающихся масс пород и для сопутствующих наблю-
дений большое внимание необходимо уделять приборам с дистан-
ционной передачей результатов, наземным и аэрофотограмметри-
ческим для повторных измерений поверхностей склонов и смеще-
ния масс, сейсморазведочным и другим геофизическим методам,
позволяющим получать количественные характеристики (рис. 3.10).
Рекомендации по выполнению отдельных видов наблюдений и ра-
бот изложены в инструкциях, опубликованных институтом Гидро-
проект, Госкомгидромет СССР, Государственным гидрологическим
89
Рис 3 10 Изучение движения обвально о< ыпных и оползневых масс на склоне
горной реки в Таджикистане с помощью повторных фототеодопитных съемок
Стрепкн и цифры — векторы и величины перемещений (в см) за трехлетний
период наблюдений
институтом, Гидроингео (Ниязов, 1989) в методическом пособии
(1984) по инженерно-геологическому изучению горных пород, в
упомянутой книге института ВСЕГИНГЕО (1982) и в других ма-
териалах.
Карстовые и суффозионные процессы. Динамика и формы про-
явления этих процессов в первую очередь связаны с изучением
гидрогеологического фактора: уровенного режима подземных вод
(градиенты, скорости), изменений их химического состава и вод-
ного баланса. Процессы выщелачивания и карстообразования с
последующими провальными деформациями имеют значение в ос-
новном для легкорастворимых пород и в отдельных случаях для
карбонатных пород, когда подземные воды обладают высокой аг-
рессивностью за счет техногенных факторов. Процессы размыва
внутри массивов пород (закарстованных, трещиноватых, песчано-
суглинистых, лёссовых и др.) анализируются с позиций их суффо-
зионной устойчивости и представляют большой интерес при воз-
никновении фильтрационных потоков при создании плотин и ка-
налов, при водопонижениях из шахт и карьеров, при строитель-
стве подземных сооружений и др. Суффозионные процессы и свя-
занные с ними деформации пород и провальные явления происхо-
дят и без техногенных факторов, но реже и с меньшей интенсивно-
стью. По материалам изысканий создается режимная гидрогеоло-
гическая сеть из скважин и родников, пунктов измерений деформа-
ции пород и суффозионного выноса масс грунта, определяется про-
грамма наблюдений в соответствии с поставленными задачами для
данной стадии исследований и проектирования. Стационарными
наблюдениями на геодинамическом опытном полигоне должны
быть установлены:
— объемы выноса пород (механического и в растворенном ви-
де) в зависимости от градиентов (скоростей) и расходов естест-
венных или техногенных потоков подземных вод; по сети гидро-
геологических режимных скважин, заложенных на типичных уча-
стках и оборудованных пьезометрами в изучаемых водоносных
горизонтах, а также по родникам проводятся наблюдения за уров-
нями и химизмом подземных вод в различные по водности месяцы
и годы, с частотой в зависимости от особенностей гидрогеологиче-
ского разреза и задач исследований;
— основные характеристики водного баланса сезонные и мно-
голетние для каждого гидрогеологического массива пород; дан-
ные по изменению расходов, химизма вод и их агрессивности поз-
волят прогнозировать процессы выщелачивания и карста, учиты-
вая, что места образования каверн и полостей обусловлены особен-
ностями литологического разреза, трещиноватостью и интенсив-
ностью водообмена;
— появление любых деформаций пород на поверхности земли
и в наиболее вероятных частях массива изучается путем заложе-
ния специальных датчиков и геодезических поверхностных и глу-
боких реперов; различные провалы необходимо закартировать и
выполнить разведочные работы по выяснению масштаба, глубины
91
и причин происшедшей деформации пород внутри массива; одно-
временно фиксируется появление деформаций на зданиях и со-
оружениях, имеющихся в районе наблюдений. Анализ, сопоставле-
ние и обобщение результатов режимных наблюдений за карсто-
выми и суффозионными процессами и за их последствиями при
естественных гидрогеологических условиях и при техногенных филь-
трационных потоках являются наиболее достоверными исходными
данными для прогноза и обоснования защитных мероприятий.
Наблюдения за деформациями пород и водопритоками при
строительстве глубоких котлованов, карьеров и подземных соору-
жений. Интенсивное внедрение в геологическую среду при строи-
тельстве сооружений глубокого заложения неизбежно вызывает
существенные изменения напряженного состояния, температуры и
свойств пород, уровней и режима подземных вод. Эти изменения
приводят к разуплотнению и различным деформациям пород, к
прорывам вод и другим явлениям, развивающимся во времени.
Выпоры глинистых пород без увеличения их влажности в дне глу-
боких выемок и в подземных выработках — широко распростра-
ненное явление (см. гл. VI); крупные вывалы и горные удары,
нередко сочетающиеся с прорывами подземных вод в массивах
трещиноватых скальных пород, особенно в зонах разломов, со-
здают сложные и опасные ситуации при проходке тоннелей и шахт
и при горных разработках. Точные наблюдения по реперам в под-
земных выработках, например проведенных в прочных интрузив-
ных массивах Хибин, установили процессы разгрузки, проявившие-
ся в упругих поднятиях до 100 мм при извлечении 100 млн т по-
род (Марков, Паносенко, Яковлев, 1980).
До начала и обязательно при строительстве глубоких выемок
и подземных сооружений необходимо: а) создать сеть реперов на
поверхности земли и в массиве для стационарных точных геоде-
зических измерений деформаций подъема, опускания, выпора и
разуплотнения отдельных частей массива; б) в скважинах, про-
буренных с дневной поверхности и из подземных выработок, за-
ложить датчики для измерения изменяющихся напряжений внут-
ри структурных блоков и вблизи разломов в разных породах с
учетом их простирания и падения; в) периодически проводить из-
мерения плотности пород и фиксировать их разуплотнение сейсмо-
акустическими методами; г) организовать гидрогеологические на-
блюдения за уровнями и расходами по естественным водопроявле-
ниям и водотокам, а также в специально пробуренных и оборудо-
ванных пьезометрами скважинах; д) поставить наблюдения за
водопритоками в подземные выработки и карьеры из всех харак-
терных пластов, трещин и разломов, а также за суффозионными
выносами, которые могут возникнуть при значительных скоростях
фильтрационных потоков, обусловленных большими водопониже-
ниями.
Глава IV
ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ДЛЯ ГРАД О- И
ПРОМЫШЛЕННОГО
СТРОИТЕЛЬСТВА
Во многих странах мира происходит бурный рост градостроитель-
ства с глубокими качественными изменениями, с высоким уров-
нем урбанизации и энергичным воздействием на геологическую
среду. В Советском Союзе в 1989 г., по данным переписи, сущест-
вовало 2190 городов и поселков городского типа, а население в
них увеличилось до 66% (188,8 млн человек); на начало 1989 г.
имелось 23 города с населением более 1 млн человек и 57 городов
с населением более 0,5 мли человек. Рост городов и поселков про-
должается, оии становятся все более сложным комплексом разно-
образных инженерных сооружений, а не только сочетанием архи-
тектурных ансамблей. Существенно изменились облик городов и
промышленных комплексов, планировка и размещение их на тер-
риториях со сложными инжеиерио-геологическими условиями и
рельефом. Возросли высоты и размеры зданий и сооружений, их
давления иа грунты основания, увеличились динамические на-
грузки, глубины заложения фундаментов. Усилились требования
к надежности оснований, например, для АЭС и других уникаль-
ных объектов, усложнились транспортные проблемы города, для
решения которых необходимо возведение мостов, эстакад, строи-
тельство метро, коммунальных туннелей и т. д.; использование
подземного транспорта становится насущной задачей крупного
города.
Выбор территории и подземного пространства для размещения
зданий, промышленных, транспортных и других объектов, их кон-
струкции и способы ведения строительства, наиболее рациональ-
ные в архитектурно-эстетическом, инженерном, экологическом и
экономическом отношениях, приобретают важное значение. Меро-
приятия по инженерной подготовке и защите территорий от опас-
ных геологических процессов становятся градообразующими фак-
торами. Обеспечение устойчивости территории и сооружений, воз-
водимых нередко в сложных условиях, предъявляет новые и от-
ветственные требования к ииженерио-геологическому обоснованию
ТЭО и Проектов планировки и застройки территории города и
промузлов на разных стадиях изысканий, строительства и эксплу-
атации сооружений. Примером нового типа сооружений города,
расположенного на малопрочных грунтах, с усложненной консг-
93
рукцией фундаментов является административное здание в Брюс-
селе (рис 4 1) Оно имеет 30 наземных этажей (не считая тех-
нических) и 6 подземных, глубина заложения фундамента 18 м;
фундамент в виде плиты площадью 7200 м2 опирается на 70 свай
длиной до 50—52 м, в том числе на 35 буронабивных свай диа-
метром 1,2—2 м, которые доведены до плотных песков
Многофакторное воздействие города и промобъектов на гео-
логическую среду приводит к возникновению разнообразных ин-
Рис 4 1 Схема разрез 30 этажного здания со свайным фундаментом, возведен-
ного на малопрочных грунтах в г Брюсселе
1 — железобетонные сваи, 2 — подземная часть здания, 6 этажей, 3 — ал
лювий, пески глинистые, илистые, 4 — верхний ипресьен 5 — нижний ипресьен,
6 — пески плотные свиты Ландениен
94
женерно-геологических, гидрогеологических и других процессов,
нередко интенсивных, наносящих значительный материальный
ущерб. Их изучение, прогноз и обоснование рациональных конст-
рукций разнохарактерных градостроительных объектов и защит-
ных мероприятий — главные задачи инженерно-геологических
исследований при расширении существующих и вновь создавае-
мых городов и промузлов. На современном этапе решение градо-
строительных идей для крупных городов предполагает использо-
вание наземных и подземных пространств как единого целого.
Дальнейшее развитие градо- и промышленного строительства
должно исходить из обязательного положения о сохранении сель-
скохозяйственных земель, лесных угодий и резервных территорий;
поэтому неизбежно освоение площадей и возведение сооружений
и зданий на малоудобных по рельефу территориях, при близком
залегании подземных вод и на неоднородных сжимаемых грун-
тах. Значительная вертикальная планировка (подсыпки и намывы
грунтов на поймах, срезки и т. п.), осуществляемая во многих
крупных городах (Москва, Горький и др.) в сочетании с дрена-
жами и различными укрепительными мероприятиями, обязатель-
на и является составной частью инженерной подготовки и защиты
территории и сооружений.
В качестве примеров приведем данные об объемах земляных
работ для планировки: в Кобе (Япония) за 10 лет срезано около
140 млн м3 горы Такакура, созданы остров площадью 4,5 км2 и
террасы на склоне, которые отведены под застройку; на заречной
части г. Горького объем намыва песков составил более 100 млн м3
при мощности от 2 до 5 м и с изъятием торфа под зданиями;
в 1970 г. в г. Ташкенте были проложены 24 крупных канала об-
щей длиной свыше 164 км с выемками и эрозионными врезами
глубиной до 35 м; оросительная сеть составляет около 2000 км;
мощность насыпного слоя в старой части города 7—8 м, а ирри-
гационных накоплений — до 12 м (Худайбергенов, 1980).
§ 1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,
ЗАДАЧИ ИЗЫСКАНИЙ И ОЦЕНКА
ТЕРРИТОРИИ ГОРОДА
Города, промобъекты и производство строительных работ подвер-
жены воздействию практически всех экзогенных и эндогенных
геологических процессов, в том числе сейсмических и вулканичес-
ких; они служат причиной возникновения разнообразных инже-
нерно-геологических и гидрогеологических явлений. Главные про-
цессы, изучение, оценка и прогноз которых, а также обоснование
защитных мероприятий надо рассматривать как основные задачи
комплексных инженерно-геологических изысканий, следующие:
— значительное уплотнение грунтов основания, вызывающее
большие непредусмотренные проектом осадки сооружений, .особен-
но неравномерные и поэтому опасные (города: Гдыня, Пиза, Ар-
хангельск, Одесса и др.);
95
— подъем подземных вод, временный и длительно развиваю-
щийся под влиянием природных и особенно техногенных факторов
(орошение, утечки из водонесущих сетей и ирригационных кана-
лов, подпор от водохранилищ и т. п.) с интенсивностью от ОДО-
ОД? м/год в Одессе до 0,8—0,9 м/год в г. Энгельсе и на приле-
гающей к нему территории, более 1 м/год на промплощадке
Атоммаша (Ростовская обл.), приводящий: а) к подтоплению
фундаментов, подвалов, подземных объектов, жилых и промыш-
ленных зданий, а также городских территорий и пригородных
зон (Энгельс, Баку, Омск, Томск и др.); б) к обводнению пород
зон аэрации, изменению их состояния, снижению прочности и
повышению деформируемости, особенно лёссов и других грунтов
с непрочными структурными связями, и как следствие, к нерав-
номерным значительным осадкам зданий (Запорожье, Волго-
донск, Ташкент, Душанбе и др.); в) к активизации просадочных,
карстовых, оползневых и иных процессов, к возникновению гид-
родинамического и взвешивающего давления; г) к увеличению
общей минерализации и агрессивности грунтовых вод при их ин-
фильтрации через техногенные образования или при неорганизо-
ванном сбросе промстоков;
— сдвижение массива и образование мульд проседаний в ре-
зультате длительных откачек подземных вод и при значительном
(десятки метров) водопонижении, часто в сочетании с развитием
суффозионных процессов и выщелачивания растворимых состав-
ляющих пород (в городах Мехико, Москва, Субр, близ Ровно, на
Северном Урале и др.);
— развитие под влиянием как природных, так и техногенных
факторов оползней, горных обвалов и лавий, селевых потоков,
карста, эрозионных и абразивных размывов и других геологиче-
ских процессов в формах, объемах и интенсивности, опасных для
зданий, сооружений и коммуникаций городов и промузлов и по-
этому требующих заблаговременной инженерной защиты, рацио-
нального их размещения и соответствующих конструкций.
Город и промобъекты обычно провоцируют значительную ак-
тивизацию существующих и возникающих негативных геологичес-
ких процессов из-за недоучета особенностей геологической среды,
нерациональных планировочных и конструкционных решений, не-
соблюдения проектов и правил ведения строительных работ, не-
своевременного осуществления защитных мероприятий и наруше-
ния требований эксплуатации сооружений. Разнообразие и интен-
сивность инженерно-геологических процессов на территории го-
родов наглядно показаны в книге Ф. В. Котлова (1978) и в соот-
ветствующих главах учебника «Инженерная геодинамика» (Золо-
тарев, 1983).
Среди многих случаев катастрофически опасных геологических
процессов современности, причинивших огромный материальный
ущерб городам, должны быть отмечены: селевые потоки в рай-
онах городов Алма-Аты, Ашхабада, Хаита и других в Средней
Азии, Кварели и других в Грузии, в пределах горного обрамле-
«6
ния Байкала (Слюдянка) и т. д. Оползни, обвалы и горные ла-
вины разных типов и объемов нередко возникают взаимообуслов-
ленно и в своем развитии накладываются и трансформируются
один в другой; их основными факторами могут быть как природ-
ные, так и техногенные, действующие чаще в сочетании. Ущерб,
наносимый ими городам, дорогам и другим объектам, огромен;
характер и значение склоновых процессов изложены во многих
работах, в том числе в учебнике «Инженерная геодинамика»
(Золотарев, 1983) и в монографии «Формирование и устойчивость
высоких склонов» (1980). Особенно активны и значительны сов-
ременные оползни в Средней Азии (Ангренские, Сарезские, Ха-
итские), в Карпатах, на Северном Кавказе, на водохранилищах
Волги (Саратов, Ульяновск), Ангары, Енисея, на Крымском,
Кавказском и Одесском побережьях Черного и Азовского морей.
Сложное сочетание обвалов, оползней, лавин и селевых потоков
наблюдалось в 1970 и 1974 гг. в Перу, в 1963 г. на водохранили-
ще Вайонт в Италии, в США (Калифорния), Японии и во мно-
гих других странах мира.
Разнообразны и широко распространены просадки в лёссах,
где они обусловлены изменением гидрогеологической обстановки
из-за орошения, утечек, неорганизованного сброса хозяйственных
вод, во многих городах и поселках, на промобъектах Средней
Азии, Украины и в других регионах. Р. А. Смирнов и А. А. Гры-
за (1973) приводят данные об осадках коксовых батарей Баглей-
ского завода на Украине, составивших 13,2 и 20,1 см при подъеме
уровня грунтовых вод на 8 м. В г. Запорожье несколько сотен
зданий, возведенных на лёссах, претерпели деформации из-за
подъема грунтовых вод, обусловленного техногенными факто-
рами.
Современные карстовые провалы в городах Дзержинске
(Горьковская обл.) и Уфе, в Татарии, Пермском Предуралье,
Средней Азии и в других регионах приурочены в основном
к районам распространения легкорастворимых пород и обуслов-
лены природными и техногенно-измененными гидрогеологическими
факторами.
Градо-, курортное и иное строительство на побережьях, в пер-
вую очередь Черного, Азовского и Балтийского морей, а также
Японского, Охотского и Северных морей, существенно затрудня-
ется развитием преимущественно абразионных процессов, кото-
рые часто обусловливают оползни и обвалы. Развитие абразион-
ных процессов, уничтожающих ценные территории на морских
побережьях, тесно связано с формированием и перемещением
наносов, с созданием или отсутствием защитных аккумулятивных
отмелей и пляжей, а также с поступлением обломочных масс,
выносимых реками, обвалами, селевыми потоками, оползнями и
осыпями.
Оврагообразование и другие эрозионные процессы во многих
областях распространения легкоразмываемых и выветривающихся
пород, а также в районах проложения магистральных ороситель-
97
ных каналов в пределах крупных городов и поселков (Ташкент,
Яванская долина в Таджикистане и др.) являются факторами,
существенно осложняющими освоение и застройку территории и
требующими заранее осуществленных противоэрозионных и иных
мероприятий. Обычно оврагообразование, смыв со склонов и под-
мывы откосов каналов редко создают катастрофические ситуа-
ции, но их широкое распространение суммарно приносит значи-
тельный ущерб; поэтому при изысканиях на городских и промыш-
ленных территориях они являются главными объектами.
Во многих областях развитие негативных геологических про-
цессов происходит на общем фоне сейсмического воздействия,
нередко являющегося фактором возникновения крупных обвалов,
оползней, карстовых провалов и селевых потоков. При градостро-
ительстве влияние сейсмичности на конструкции и устойчивость
сооружений оценивается изменением балльности (/) территории,
для чего выполняется сейсмическое микрорайонирование (СМР)
в соответствии с инструкциями и СНиПом П-7-81. Влияние сейс-
мичности на состояние склонов и территорий с потенциально
возможными провалами и сдвижениями пород в практике изыс-
каний оценивается элементарными расчетами, однако недоста-
точно полно учитывающими воздействие землетрясений.
На значительной части территории нашей страны распростра-
нена многолетняя сплошная и островная мерзлота, происходят
процессы сезонного промерзания и оттаивания грунтов вне крио-
литозоны. Развитие мерзлотно-геологических процессов имеет
специфические закономерности, методы изучения и оценки, инже-
нерные меры предотвращения отрицательных воздействий на со-
оружения и территорию. Вне областей многолетней мерзлоты при
резко континентальном климате (Новосибирск, Иркутск и др.)
процессы промерзания и оттаивания имеют значение для про-
мышленного и городского строительства при определении: глу-
бины заложения фундаментов; оценки деформации пучения и
разжижения глинистых грунтов при дорожных и иных покрытиях
в городе; системы дренажных мероприятий и т. д.
Основные задачи инженерно-геологических изысканий для
градостроительства и критерии оценки территории. Многообразие
геологической среды, влияние на нее различных инженерных со-
оружений и хозяйственного освоения определяют широкий круг
задач изысканий, сложность оценки современного состояния и
прогноза процессов на территориях городов и промобъектов. Они
находятся под воздействием различных природных процессов и
одновременно вызывают разнообразные инженерно-геологические
явления. Главные задачи изысканий можно объединить в группы.
1. Оценка современных инженерно-геологических и гидрогео-
логических условий территории города и пригородной зоны по
основным компонентам: а) типам, комплексам и пространствен-
ной изменчивости пород, являющихся основанием для зданий и
сооружений, их деформационным, прочностным и фильтрацион-
ным свойствам; б) глубинам залегания, распространения, хими-
98
ческому составу, режиму и агрессивности безнапорных и напор-
ных подземных вод; в) видам, интенсивности, объемным характе-
ристикам распространения и степени опасности для объектов го-
рода разнообразных геологических и инженерно-геологических
процессов и явлений; г) геоморфологическим особенностям и мик-
рорельефу территории города и д) климато-гидрологическим ус-
ловиям (интенсивность ливней, речные паводки и волновая дея-
тельность с учетом различной обеспеченности).
2. Прогноз инженерно-геологических процессов в приближен-
но-количественной и пространственно-временной форме, отража-
ющий изменение геологической среды под влиянием разнообраз-
ных сооружений города, строительных работ и хозяйственной
деятельности. Подземные воды — важнейший компонент геоло-
гической среды, чувствительно и значительно реагирующий на
техногенное воздействие города. Во многих случаях подземные
воды являются решающим фактором в развитии негативных и
даже опасных инженерно-геологических процессов, представляют
самостоятельный объект изучения, которое завершается прогнозом
изменения гидрогеологических условий. Среди собственно гидро-
геологических задач для городских территорий первоочередным
является изучение: а) очагов и степени загрязнения грунтовых и
более глубоко залегающих вод за счет инфильтрации промстоков,
утечек из канализационных сетей, влияния свалок и т. п.; б) исто-
щения подземных вод при их использовании для водоснабжения;
в) повышения агрессивности грунтовых вод на подземные части
сооружений, коммуникаций и др.
3. Анализ характера и причин деформаций зданий, полотна
дорог и других сооружений, а также эффективность дренажных,
укрепительных и иных защитных мероприятий, осуществленных
в различных инженерно-геологических и гидрогеологических ус-
ловиях. Эти данные обобщают опыт строительства и эксплуата-
ции сооружений, позволяют определить наиболее действенные
конструктивные решения и защитные мероприятия применительно
к реальным условиям района или участка, а также предостере-
гают от поспешных выводов о причинах (геологических или стро-
ительных) деформаций зданий и других объектов.
4. Сбор данных и анализ влияния техногенного изменения
геологической среды на экологические последствия и экономичес-
кий ущерб.
5. Обобщение и анализ материалов инженерно-геологических
и гидрогеологических изысканий предшествующих лет, особенно
по режимным наблюдениям за подземными водами, геологичес-
кими процессами, экологическими последствиями и состоянием
зданий и сооружений, которые дают возможность обосновать:
а) оптимальные виды и объемы дополнительных инженерно-гео-
логических изысканий для решения новых поставленных задач;
б) приближенно-количественные характеристики прогнозируемых
инженерно-геологических процессов, возникающих в связи с рас-
ширением и реконструкцией городов и промузлов. На территориях
99
средних и крупных городов под различные объекты пройдены
многие тысячи и десятки тысяч разведочных выработок, выпол-
нены многочисленные натурные опыты, имеется огромное количе-
ство лабораторных анализов по определению физико-механичес-
ких свойств грунтов и химического состава вод и т. п. Не исполь-
зовать эти данные недопустимо, но следует иметь в виду, что
из-за различных методик и особенностей проведения полевых и
лабораторных работ вероятны разноречивые результаты, которые
надо объяснить, а сомнительные отклонить.
6. Инженерно-геологическое обоснование сейсмического де-
тального районирования (СДР) и сейсмического микрорайониро-
вания (СМР) территории при составлении проектов районных
планировок, проектов генеральных и детальных планов планиров-
ки и застройки городов. Детальность обоснования определяется
стадией разработки и сложностью геологической среды оценивае-
мого региона или площадей застройки и освоения.
7. Инженерно-геологическая типизация строения территории
и ее районирование по степени пригодности под жилую и про-
мышленную застройку и зеленые зоны с рекомендациями меро-
приятий по инженерной подготовке (укреплению грунтов основа-
ния, дренажу и т. д.) и защите от негативных процессов для
каждого вида участка и характера его использования. Деталь-
ность типизации и районирования должна соответствовать стади-
ям проектирования и сложности геологической среды.
На основе обобщения материалов изысканий разрабатываются
модели гидрогеологических и инженерно-геологических процессов,
происходящих и прогнозируемых как для всей территории круп-
ного города, так и для наиболее важных или типичных участков,
которые в дальнейшем могут быть преобразованы в непрерывно
действующую модель. Данные изучения режима подземных вод
и инженерно-геологических процессов и другие изменения гео-
логической среды города, включенные в постоянно действующую
модель, являются основой для разработки мониторинга и приня-
тия проектных и строительных решений по обеспечению нормаль-
ной деятельности города.
Многоплановое воздействие города на динамичную геологичес-
кую среду, существенно различную, определяет трудности при
выборе критериев (признаков) для инженерно-геологической
оценки современного состояния территории и прогноза ее изме-
нения применительно к разным сооружениям и видам освоения.
Главные критерии:
1. Породы и образованные ими структуры как основание со-
оружений — состав, текстуры и физико-механические свойства,
в первую очередь деформационные, слоя, пачки и толщи, их про-
странственная изменчивость. Нужна типизация грунтов оснований
сооружений по деформируемости, достаточная для решения пла-
нировочных задач на стадии районной планировки. На стадии
проекта генплана города и ПДП его района, когда выполняются
ориентировочные расчеты, целесообразна детализация типов
100
пород по сжимаемости (сильно, средне, мало) с приведением по-
казателей по нормативным справочникам или по имеющимся ста-
тистически обработанным данным изысканий.
2. Подземные безнапорные (грунтовые) и напорные воды.
Критериями их роли и оценки являются: глубина залегания
уровней, величины сезонных колебаний, химический состав, их
агрессивность и влияние на развитие геологических процессов.
В зависимости от вида сооружений и использования территории,
заложения фундаментов и подземных объектов, размещения жи-
лой застройки и зеленопарковых зон оценивается степень подтоп-
ления участков города. На картах и разрезах с учетом их масш-
таба выделяются глубины залегания грунтовых вод для межен-
ного периода в метрах: до 1; 1—3; 3—5; 5—10; 10—20; более 20
в зависимости от задач проектирования. Сложнее вопрос о кри-
териях оценки напорных вод, которые могут поступать в глубокие
выемки и котлованы, иногда с прорывом, по более проницаемым
слоям, древним (погребенным) руслам и трещинным зонам. По
составу и агрессивности подземные воды можно подразделить на
мало-, средне- и сильноминерализованные с указанием степени
и вида минерализации и агрессивности. Для характеристики сте-
пени обводненности массивов (толщ) пород и территории поль-
зуются понятиями: постоянная, сезонная и многолетняя. Когда
подземные воды определяют развитие геологических или инже-
нерно-геологических процессов, надо оценивать их роль как глав-
ного фактора возникновения процесса и характеризовать их на
картах, разрезах и в тексте.
3. Геоморфологический критерий оценки территории предус-
матривает генетическое, возрастное и морфометрическое расчле-
нение рельефа на элементы и более крупные таксоны, в которых
отражаются характер слагающих их пород, структуры, неотекто-
ническое развитие, палео- и современные климато-гидрологичес-
кие условия, а также дренирование подземных вод. Они являются
компонентом среды, в которой происходит развитие экзогенных
геологических процессов, и влияют на сейсмичность. Среди гео-
морфологических элементов особое значение имеют склоны реч-
ных долин, морских и озерных побережий, приводораздельные и
иные, разной высоты и крутизны, для которых необходимо оце-
нить степень современной их устойчивости и дать прогноз изме-
нения. Геоморфологический фактор — один из важных призна-
ков инженерно-геологической оценки современного состояния тер-
ритории и обоснования ее районирования.
4. Современные геологические процессы и их аналоги, вызван-
ные техногенными факторами, — важнейший завершающий при-
знак инженерно-геологического районирования, оценки состояния
и степени пригодности территории для строительства и реконст-
рукции городов и промузлов, для выбора системы инженерных,
экологических и иных мероприятий по стабилизации территории
и обеспечения эксплуатации сооружений, зданий и других объ-
ектов, на ней расположенных. Характеризуя процессы, распрост-
101
Таблица 4.1
Примеры условных обозначений инженерно-геологической карты масштаба 1:25 000— 1:5000 района
сложного строения
I Районирование
Границы и индексы инженерно-геологических —♦— районов -I IT;-------------подрайонов А,; А2,Б,,Бг, ..
-------участков- /,, 2t... первого, 1 2,2г— второго и 13,2}... третьего порядков
Районы Подрайоны Участки Устойчивость скпо- ноб, территорий и пород б основании сооружений и за- щитные инженер- ные мероприятия
1-го порядка Геоморфоло- гические элементы 2-го порядки Обводненность территории 1-го порядки Инженерна -геологические типы пород и их свойства 2-го порядки Глубина залега- ния грунтовых вод и их режим 3-го порядка Собременные гео- логические и ин- женерно-геологи ‘ ческие процессы
ш Терригенный глинистый литифициро- донный комплекс олигоцена - нижнего миоцена ^7 Делювиальные склоны, разно- возрастные, крутизной /0-/5’ Бх Склоны смыва, разновоэраст ные, крутиз- ной до 20° с растущими оврагами Не выделяют- ся милообипьные воды в про - спаях пескав, песчаников и в нижних горизонтах элювия Родники с дебитом до 0,1 л/с Ж Гпины алевритовые, монтмориллони- товые, гидроспюдистые, карбонатные, темно-серые, слоистые, однородные, выветривающиеся, плотные Не выделяется; более б м [ / / I Интенсивный смыв с неза дернованных поверхностей Выветрелые глины в горизонтах А,Б и В разной мощно- сти являются малонадежными основаниями соору- жений В зоне вы- ветривания при увлажнении в от- косах выемок будуз возникать оползни. Необходимы меропри ятия, предоптвраща- ющие выветривание, увлажнение и раз- мывы
Обобщенные показатели свойств tv, % й, г/сн‘ п, ъ в, та vp, м/с С, МПа та
невыветре- лые породы /4 2,26 25 0,1д 2600 22 0,35 100
горизонт быдетрида- ния „в" 29 2,02 К 0,6 1200 13 0,12 50
горизонт быбетрибо ния/А" 22,5 ПО 69 <0,2 300 д-9 0,02 20
и Комплекс обло- мочных неоценен- тированных и глинистых склоновых отло- жений верхнего плиоцена, плейстоцена и голоцена А, Среднечет- вертичный конус выноса, лологонаклон ный 3-5° Аг Гоунтовые воды на глу- бине более 10'30 м Пролювий-ще раздробленны нистыми зап мощностью PGn мелкие глыбы ст ня ко в с с угли- ями 20-25‘Д', Преимуществен- но безводные 2г В межень уровень грунтовых вод до зм,с подъемом в дождливые периоды Не выделяют- ся Слабый смыв, Г Г# и I Бпоко- *Чдые смеще- ния По репьесру и характе- ру пород территория пригодна для застрой ки Из-за неравномер- ного сезонного обвод- нения необходим дре- наж, проходка выемок затруднена извлече- нием глыб и возмож- ной деформацией откосов
день и х избе олнитег tO м
Б, Склон ОПОЛЗ левой, сту- пенчатый, образованный оползнями разного воз- раста и ге- нераций, сред- ней крутизны вверху /2-20°, внизу 6'8° Бг Неравномер- ные обводнен- ность и залегание подземных вод из раз- ломов, по - кольное под- топление в многовод- ные годы dp Q и t dp Q iv Оползневые - снещенные пакеты мерге- лей и глин с гнездами перемятых глинистых масс, неоднородные, разрыхленные, мощностью 10-20 м J Уровень грунто- вых вов до 1 м в сухой и подтопление территории б дождпибый периоды преимущест - денно безбед- ные Относителен!! устои чивые; необходимы берегозащитные мероприятия, водо- отводы, планировка На отдельных участ- ках склонов, подвер- женных длительной абразии и эрозии, возможны оползни
Обобщенные показатели своистб tv, 7. 0, г/сн п, % V° С, МПа /?, НПа Яр, м/с
Оползне- вые НОССЫ 25,0 1,95 38 16 0,06 0,3 300
в, Склон опопз- небой, слри- останобиб- шимися и действую- щими ополз- нями- потоками |/ <z}dpQMI; dpQ 1V Глины и суглинки со щебнем известня- ков, перемятые, неравномерно разрых- ленные, вязкие, мощностью да 20 м Уровень грунта вых вод в сухой период 3-6 м Полное додо- насыщение в сезон дождей оползни- ? 1 особы ) . оползни- ( ! потоки ( оползни fl1/ I сложного 1 / х 1 генезиса IX41 малопригодные терри- тории для застройки из за неустойчивости оползневых склонов и низкой несущей спо- собности глинистых грунтов Необходим комплекс мероприятий по борьбе с оползнями, эрозией и абразией, а также укрепление грунтов
Показатели свойств W, 7. 8, г/сн3 п, % V° С, нпа 3. мПа
Суглинки 35-60 W65 >5-10 1-5 <0,01 0,1 1 Разныды б на пых оврагах и промоинах
до 1м
Примечание /Районы и подрайоны показываются границами и индексами. 2 При цветном варианте но карте показываются участки
---------- 1-го порядка, типы пород, в соответствии с общепринятой стратиграфической гаммой, участки г-го порядка - подземные
боды отображаются знаками синего цвета и участки 3-го порядка - процесса - знаками разных цветов
бровка уступа и ее Высота, м:
а] V V V V У
В) mmwuin
।—j—।
синий
оранжевый
красный
/~й\
зеленый —:s—
красный
красный | |
П Характеристика территории
Знаки
Факторы разбития обвалов и оползней-.
а) абразионного
б) эрозионного
Ширина надводной части
пляжа, м
Интенсивная абразия
Вдольбереговое перемещение
наносов
Суфгрозионные баранки
и каналы
Конусы выноса
формирующ иеся
Место отрыва обвалов
и оползней на склоне
и их объем в м3
Трещины бортового отпора
Блоки и массивы пород,
дыветрепые, разгруженные
и подготовленные к сме -
щению, объемом в тыс м 3
Трещины оползневые
Смещение реперов движением
оползней за 10-летний период
наблюдений ! дается 6 5-10 ‘
увели ч масштаба карты)
а) изменение состояния и снижение
прочности при увлажнении
Ips -дождевыми и талыми водами
|Д/7в - подземными водами
б) Изменение напряженного состояния
пород склона вследствие •
•g РМ -подмыва его оснований
g I Р-рекой и М-морем;
И -подрезки выемками;
* (См -сейсмичеснога воздействия;
в) Изменение прочности пород в результате
выветривания, разгрузки и других экзогенных
геологических процессов
Уменьшение (а! или увепичение(б) на
“'LUIg овин балл сипы землетрясения по
ЛП71ГЙ сравнению с фоновой баппьмостью
“/[i/JJg- из-за состояния и свойств пород
I т | Мощность основной толщи пород, м
@ Мощность перекрывающего горизонта.м
Опарные точки и их номера
~т^ Элементы залегания пород
•® Скважима и ее номер
д’7 Расчистка и ее номер
Г?0'5' Источник и расход вп/с
g Каптированные источники
5 вз Копадцы, вскрывшие подземные
воды,и глубина до воды в м
* Точки сейсмического
зондирования
»— Точки зпектрозондирования
Инженерные сооружения и их деформация:
Здания
Либневоды
(=£=! Вапноотбойные и подпорные стены
сг=ю Дренажные галереи и
смотровые колодцы
О карьеры и выемки
Инженерно -геологические
Г разрезы и их номера
а
§ 5 '< Деформация соарижений
и7 Шур<р и его номер
раненные на территории города или промузла, кроме показателей
интенсивности, генетических и площадей развития надо указывать
степень их опасности для объектов и рекомендуемые мероприятия
по укреплению и предотвращению катастрофических последствий
для разных участков.
Землетрясения природные и возбужденные, являясь по суще-
ству геологическими процессами, изучаются и оцениваются при-
менительно к территориям с разными условиями к устойчивости
жилых зданий, промышленных, гидротехнических и других объ-
ектов, а также как фактор, активизирующий склоновые, проваль-
ные и иные деформации пород. При оценке влияния сейсмичности
для градостроительства разработаны методика микрорайонирова-
ния и нормативные документы (СНиП II-7-81) и предусматрива-
ется понятие «сейсмический риск» (см. гл. I).
При обобщенной оценке современного состояния и степени
пригодности городских территорий с учетом рекомендации по ин-
женерной защите следует указывать удельное значение каждого
действующего или возникающего процесса и компонента геологи-
ческой среды, выявлять главные, против которых в первую оче-
редь назначаются меры борьбы. Применяются различные мето-
ды: а) сравнительно-геологический;, -б) оценки состояния в бал-
лах с помощью кластерного анализа и других приемов матема-
тической статистики; степень точности оценок будет определяться
в значительной мере достоверностью исходных данных.
Одним из примеров инженерно-геологической оценки предгор-
ного района сложного строения на морском побережье для градо-
и дорожного строительства на стадии проектов районной плани-
ровки и генплана города служит легенда к картам масштабов
1:25 000—1:5000 (табл. 4.1), составленная в соответствии с ре-
комендациями, изложенными в § 2 главы II.
§ 2. ОПЫТ И ПРИМЕРЫ
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО
ИЗУЧЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ ГОРОДОВ
Для лучшего понимания задач и содержания инженерно-геологи-
ческих исследований для градостроительства целесообразно рас-
смотреть на некоторых примерах их результаты и опыт выполне-
ния для обоснования методики изысканий на стадиях районных
планировок (РП), генеральных планов и проектов детальных
планировок (ПДП) застройки территории и при проектировании
отдельных объектов.
Схемы и проекты районных планировок. Согласно инструкции
ВСК-38-82 (1984) районная планировка охватывает всю или
часть области, автономной республики или края в границах, оп-
ределяемых комплексной программой экономического и социаль-
ного развития на 20—25 лет и с перспективой дальнейшего рас-
ширения крупных народнохозяйственных проблем. Была разра-
105
ботана районная планировка южной части Красноярского края,
от Транссибирской железнодорожной магистрали до границ с Ту-
Винской АССР, в пределах которой намечалось, а теперь осуще-
ствляется строительство различных объектов (ГЭС, авто- и же-
лезных дорог, промузлов, поселков), сельское и иное использова-
ние территории.
Геологическое строение, подземные воды, рельеф и его исто-
рия формирования, современные геологические процессы южной
части Красноярского края разнообразны и сложны. Региональ-
ные инженерно-геологические условия данной области определя-
ются сложным сочетанием крупных антиклинальных структур,
образующих хребты и горные возвышенности, представленных
метаморфизованными палеозойскими и более древними терриген-
ными и карбонатными формациями, пронизанных многочислен-
ными гранитными интрузиями, с серией мезозойских и кайнозой-
ских впадин, выполненных осадочными, угленосными и озерно-
аллювиальными комплексами пород. Для крупных впадин ти-
пичны малые темпы новейших поднятий, а антиклинальные
структуры характеризуются интенсивными поднятиями, горным
расчлененным рельефом, глубокими речными долинами с энер-
гичными склоновыми процессами и ограниченным развитием над-
пойменных террас и пойм. В долинах рек Енисея и его притоков,
в пределах впадин, развиты серии широких надпойменных террас
и пойм, сложенных аллювием и водно-ледниковыми образовани-
ями разного состава, в том числе просадочными лёссами, часто
с неглубоким залеганием грунтовых вод.
В южной части Красноярского края широко распространены
современные геологические процессы, различные в зависимости
от геологического строения и свойств пород, рельефа, воздейст-
вия поверхностных и речных вод, климатических и иных условий.
Разработки угольных месторождений открытым и подземным
способами, создание Красноярского водохранилища, градо- и
транспортное строительство энергично воздействуют на геологи-
ческую среду и экологическую обстановку; их негативные воздей-
ствия с прогнозом развития на проектный срок районной плани-
ровки (25 лет) должны быть учтены в генеральной схеме инже-
нерной подготовки и защиты территории.
Ввиду народнохозяйственного значения и сложности природ-
ных условий разработку районной планировки южной части Крас-
ноярского края целесообразно осуществлять в два этапа — Схе-
мы и Проекта. Инженерно-геологическое обоснование было вы-
полнено по обобщению имеющихся многочисленных геологических,
гидрогеологических и инженерно-геологических данных, состав-
лению специализированных карт, разрезов, схем и текстовой
характеристики региона, а также специальным маршрутам. Ос-
новными исходными материалами для обобщений являлись:
а) государственная геологическая карта масштаба 1:200000
и сопровождающие ее другие данные, характеризующие геомор-
фологию, подземные воды и современные процессы;
106
б) результаты комплексных многолетних инженерно-геологи-
ческих изысканий в долине р. Енисея в связи с выбором и деталь-
ными исследованиями участков’ для Красноярской и Саянской
ГЭС, а также по районам водохранилищ, включая защищаемые
территории городов и места переселения поселков;
в) отчеты по инженерно-геологическим и иным изысканиям
для строительства дорог, линий электропередач и связи, реконст-
рукций жилых и промышленных объектов, разведки подземных
вод для водоснабжения поселков и т. п.;
г) результаты наблюдений за режимом поверхностных и под-
земных вод и за современными геологическими процессами, вы-
полняемых обсерваториями и стационарами управлений Госком-
гидромет СССР и Министерства геологии;
д) монографии, статьи и сборники, характеризующие при-
родные условия региона.
В целях увязки разнохарактерных материалов по отдельным
районам и.получения дополнительных данных проводилось марш-
рутное специализированное картирование на основе геологичес-
ких карт, главными задачами которого явились следующие:
— изучение неотектонических движений, особенности форми-
рования долины Енисея и крупных притоков в разных районах
Минусинской впадины и других структур по геоморфологическим
признакам, залеганию и строению четвертичных отложений;
— изучение строения и распространения кор выветривания на
разных элементах рельефа и в разных стратиграфо-литологичес-
ких отложениях как среды развития оползневых, обвально-осып-
ных и эрозионных процессов и как менее прочных, более дефор-
мируемых комплексов пород;
— установление общих закономерностей распространения и
приуроченности различных современных геологических процессов
и глубин залегания грунтовых вод к разным комплексам пород
и к геоморфологическим подрайонам, а также определение при-
знаков для прогноза возможного характера инженерно-геологи-
ческих процессов, возникающих при застройке и использовании
территории;
— составление региональной инженерно-геологической класси-
фикации пород по имеющимся данным о свойствах грунтов от-
дельных участков и по характеристике состояния и размываемос-
ти пород в естественных условиях;
— описание и анализ деформаций существующих сооружений
и зданий, расположенных в районах с разными инженерно-гео-
логическими условиями.
Обобщение фондовых и опубликованных материалов, допол-
ненных данными маршрутного картирования, дало возможность
выполнить специализированное инженерно-геологическое райони-
рование территории по типам ее строения, наличию подземных
вод и развитию процессов с рекомендациями мероприятий по
инженерной подготовке и защите. Материалы районирования
107
представляются в виде инженерно-геологической карты в бснов-
ном масштабе и в более крупном для характерных отдельных
участков, дополненной различными схемами, типовыми разрезами,
графиками и пояснительным текстом (отчетом). Оценка слож-
ности и степени пригодности территории дается обобщенно, на
уровне районов и подрайонов по сочетанию основных признаков.
Характеристика и оценка инженерно-геологических условий и
рекомендации инженерных мероприятий для обоснования проек-
тов районной планировки в графических материалах и в тексто-
вом описании даются в обобщенном виде по преобладанию рас-
пространения основных типов пород, грунтовых вод и геологиче-
ских процессов, обязательно отмечая те геологические особенности,
которые могут создать трудности при строительстве и требующие
дополнительных мероприятий, иной планировки и размещения го-
родов, поселков, транспортных линий и т. п.
Особые проекты районных планировок. Детальное инженерно-
геологическое обоснование (проектов планировки и генеральная
схема инженерной защиты требуются при большой ценности тер-
ритории, когда нужен практически каждый гектар для застройки,
а природные условия сложны: непрочные деформируемые породы,
Рис. 4.2. Схема инженерно-геологического районирования Черноморского побе-
1 границы инженерно-геологических районов; 2 — индексы возраста отло-
1 м берега; а — малая — до 1,0; б — средняя — от 1,0 до 5,0; в — большая —
108
интенсивные оползни, абразия, эрозия и селевые потоки, карсто-
вые и иные провалы, сейсмичность, неглубокое залегание подзем-
ных, особенно напорных, вод и необходимость их дренирования,
расчлененный рельеф, высокие паводки, воздействие волн и
другие негативные факторы. Такими территориями являются,
например, Черноморское побережье Крыма и Кавказа, районы
интенсивно растущих крупных городов и промузлов — Душанбе,
Красноярск, Саратов и т. д.
Рассмотрим на примере побережья Крыма вопросы инженер-
но-геологического обоснования проектов планировки и застройки
ценнейшей территории страны. Используя принцип геологии —
анализ геологической среды от общего к детальному, региональ-
ную инженерно-геологическую характеристику побережья и Гор-
ного Крыма можно представить в виде упрощенной схемы райони-
I I2I ™п 1? HEDEhCEEl5’
режья и Горного Крыма (Золотарев, Ерыш: 1985):
жений; 3 — оползни современные; 4 — абразия, интенсивность ее, м3 */год на
5 и более; 5 — селевые долины, наиболее типичные
109
рования (рис. 4.2, масштаб уменьшен). По геологическому стро-
ению и особенностям рельефа выделено шесть основных районов,
часть из которых подразделена на несколько районов 2-го поряд-
ка (например, Южный берег Крыма и др.; Золотарев, Ерыш,
1985). Каждый район характеризуется сочетанием современных
геологических и инженерно-геологических процессов, специфичес-
кими климато-гидрологическими и гидрогеологическими условия-
ми. Подобное мелкомасштабное районирование не может быть
достаточным для проектов планировки территории и ее инженер-
ной защиты; но оно позволяет не пропустить главные инженерно-
геологические особенности побережья при более детальном рай-
онировании и принятии проектно-строительных решений. Учиты-
вая весьма неравномерное, но интенсивное современное техноген-
ное воздействие и освоенность побережья, различия в инженер-
но-геологических условиях западного, южного и восточного
Крыма, целесообразна разработка нескольких проектов районных
планировок и генеральных схем инженерной защиты и подготов-
ки территорий с детальным обоснованием, примерно отвечающим
картам масштаба 1:25 000 и 1:50000, в зависимости от слож-
ности геологической среды районов. Для более обоснованных
инженерно-геологических оценок и проектных решений в каждом
районе отдельные типичные участки изучались с детальностью
масштабов 1 : 5000 и иногда 1 : 2000 и рассматривались как эта-
лонные, а результаты проработок по ним распространялись на
все побережье по критериям геологического подобия.
Аналогичная система обоснования применима для Кавказского
побережья Черного моря и других районов с весьма сложными
природными условиями. На основе материалов районных плани-
ровок приступают к разработкам схем и проектов генеральных
планов городов и промузлов с соответствующими детальными схе-
мами и ТЭО инженерной защиты и подготовки территории в за-
висимости от сложности инженерно-геологических условий.
Генеральные и детальные планы планировки и застройки
городов и промузлов. В зависимости от численности населения и
сложности геологической среды генпланы планировки городов и
промузлов разрабатываются в 1—2 стадии (Схема, Проект)
с соответствующим инженерно-геологическим обоснованием, ори-
ентировочными оценками режимов подземных вод и месторожде-
ний стройматериалов.
Генеральный план планировки, включая пригородную зону,
является основным градостроительным документом для реконст-
рукции существующей и для новой застройки территории, опре-
деляет перспективы на 20—25 лет развития города с учетом его
экономического и социального значения в общей системе госу-
дарственного планирования. Утвержденный генплан города обяза-
телен для всех ведомств и определяет границы и характер жилой
и промышленной застройки, транспортных связей, размещения
мостов и других сооружений, а также внутренних и внешних зе-
леных зон. Для городов страны обязательно составление гене-
110
ральных планов планировки и застройки, периодически пересмат-
риваемых и уточняемых.
При сложных инженерно-геологических условиях для городов
с населением 500—1000 тыс. человек и более для генплана пла-
нировки разрабатываются Схема и ТЭО комплексных мероприя-
тий: по инженерной подготовке, по защите территории от опасных
геологических процессов и подтопления, по повышению надеж-
ности оснований сооружений. Эти мероприятия в сочетании сле-
дует рассматривать как градообразующие факторы, позволяющие
найти оптимальные планировочные и эколого-экономические ре-
шения, предотвратить многочисленные деформации сооружений и
критические ситуации, нередко возникающие в последние годы
при бурном строительстве городов.
Для уяснения инженерно-геологических вопросов, разраба-
тываемых на стадии генплана планировки города, приведем
некоторые примеры. Одним из таких примеров является древний
город Братислава—столица Словакии, расположенный на бере-
гах Дуная на площади 370 км2 с населением более 400 тыс. чело-
век, в настоящее время интенсивно растущий и расширяющийся.
Территория Братиславы характеризуется средней сложностью
инженерно-геологических условий, здесь нет геологических про-
цессов с катастрофическими последствиями, но определенные
трудности имеются, и они должны быть заранее предусмотрены в
системе мер по инженерной подготовке и защите.
Геологическое строение и геоморфология района Бол. Брати-
славы охарактеризованы на рис. 4.3. Горный хребет Мал. Карпа-
ты, возвышающийся на 300—350 м над урезом Дуная, сложен
гранитоидами и метаморфическими комплексами, расчленен мно-
гочисленными долинами малых рек и балками, чаще залесенны-
ми. Склоны хребта средней крутизны, на них участками сохрани-
лись остатки цокольных террас Дуная, прикрытые делювием, об-
разующим в нижней части широкий шлейф, сопряженный с низ-
кими аккумулятивными террасами Дуная и его притоков.
Суженная долина Дуная в западной, верхней по течению,
части города ниже раскрывается; пойма и узкие террасы право-
и левобережья главного Дуная, Мал. Дуная, Вага и их притоков
образуют обширную депрессию, в которой резко увеличиваются
Мощности плейстоценового аллювия и песчано-глинистых отложе-
ний плиоцена. Эти территории характеризуются наличием линз
старичных грунтов и залежей торфа, близким залеганием грун-
товых вод на отдельных участках, частично затапливаемых при
высоких паводках. Западнее примерной границы Бол. Братисла-
вы, у подножия хр. Мал. Карпаты и возвышенности Девина,
располагается огромная неоструктурная впадина с долиной
р. Моравы, характеризующаяся очень большими мощностями чет-
вертичного аллювия и неогена.
Несколько районов г. Братиславы, исторически сложившихся,
различающихся по рельефу и инженерно-геологическим условиям
111
Рис. 4.3
Рис. 4.3
(см. рис. 4.3), определили новое развитие города и являются
территориями для разработки проектов детальных планиройок
(ПДП).
В суженной части долины Дуная, у окончания хр. Мал. Кар-
паты, паводки достигают 9—10 м, а ниже, в пределах широких
пойм и низких террас, они вызывают затопление и размывы, при-
носят огромный материальный ущерб, как было, например,
в 1965 г. Лево- и правобережные части города связаны тремя
действующими мостами для авто- и железнодорожного транспор-
та; проектируется четвертый, в западной части у Карлова-Весь.
Обращают на себя внимание конструкция и архитектура автодо-
рожного моста SNP, расположенного у Града г. Братиславы,
с высокой опорой на правом, низком берегу Дуная (см. рис. 4.3
и гл. VIII).
Главные транспортные магистрали города выходят на северо-
запад и северо-восток, в сторону Праги и основной части респуб-
лики, а также на восток, к Будапешту, и на юго-запад, к Вене.
На берегах Дуная расположены транспортные причалы и убе-
жища для судов.
Инженерно-геологическое обоснование проекта генерального
плана и детальной схемы инженерной защиты и подготовки тер-
ритории Бол. Братиславы включает следующие задачи по изуче-
нию и оценке:
— современных эрозионных процессов в долинах рек хр. Мал.
Карпаты и на нижней \части делювиальных склонов в пределах
застройки и сельскохозяйственных угодий (районы Виногради,
Рача, Дубравка), а также размыва берегов и русла Дуная;
— строения высоких пойм и террас Дуная и его притоков
с детальным фациальным расчленением аллювия, а также делю-
виальных склонов, в первую очередь с выделением на картах
и разрезах районов распространения и мощности пойменных ста-
ричных и озерных фаций глинистого состава, обладающих значи-
тельной сжимаемостью и малой прочностью;
— глубины залегания, распространения, режима и агрессив-
ности грунтовых вод террас Дуная, его притоков и сопряженных
Рис. 4.3. Схема территории Бол. Братиславы с инженерно-геологическими и гра-
достроительными районами.
Границы: 1 — Большой Братиславы; 2 — градостроительных районов и их но-
мера; 3 — населенных пунктов и городской застройки; 4 — зеленых зон и лес-
ных массивов; 5 — основные водоразделы; 6 — I, II, III номера инженерно-
геологических районов: I — хр. Малые Карпаты — водораздельные поверхности
и прилегающие верхние части склонов, эрозионные, с вершинами оврагов, ус-
тойчивые; II — склоны делювиальные в основании хр. Малые Карпаты с по-
гребенными остатками плейстоценовых и низких плиоценовых цокольных террас
и оврагами, с подрайонами: долинами-балками Карлова-Весь, Дубравка, Ломач,
Выдрица; в целом стабильные территории; малые оползни из-за техногенных
факторов; III — низкие террасы н пойма Дуная и притоков со староречьямн,
линзами торфа в аллювии и неглубоким залеганием грунтовых вод; необходимы
обвалование, дренаж и подъем территории намывом
114
с ними пологих частей делювиальных склонов; особое значение
для оценки гидрогеологических условий территории застройки и
обоснования осушительных мероприятий или подсыпки имеют ре-
жим грунтовых вод, установление влияния на него техногенных
факторов (полива, утечки и др.) и паводков Дуная;
— физико-механических и фильтрационных свойств основных
типов четвертичных отложений и установление их пространствен-
ной изменчивости, а также анализ состояния и деформации суще-
ствующих сооружений, возведенных на разных грунтах.
Достаточным гидрогеологическим и инженерно-геологическим
обоснованием проекта генплана города, подобного Братиславе, и
проекта инженерных мероприятий территории следует считать
карты масштаба 1 : 10 000: геолого-литологическую с характерис-
тикой толщи на глубину 15—20 м и механических свойств основ-
ных типов грунтов; гидрогеологическую с показом глубин зале-
гания грунтовых вод на период межени, их режимных изменений,
с обособлением участков локального техногенного питания и ха-
рактеристикой агрессивности на бетон и металлические конструк-
ции; инженерно-геологическую, содержащую районирование тер-
ритории по типам строения с данными обобщенных показателей
свойств пород и деформаций на них зданий, а также рекоменда-
ций применительно к каждому типу инженерно-геологического
участка, мероприятий по укреплению грунтов, дренажу, плани-
ровке и подсыпке площадок и наиболее целесообразных конструк-
ций фундаментов для разных сооружений.
Эти основные карты сопровождаются инженерно-геологичес-
кими разрезами, чаще в масштабе более крупном, чем карты,
для отображения особенностей строения, режима грунтовых вод,
состояния и свойств пород; разрезы являются обоснованием рай-
онирования и выделения типов участков. Дополнительно к картам
и разрезам прикладываются различные графики и схемы, харак-
теризующие свойства грунтов, состав и режим грунтовых вод,
типичные деформации зданий, расчленение новейших отложений,
геологическую историю формирования долины Дуная и др.
Изученность инженерно-геологических условий городских тер-
риторий обычно неравномерная, наибольшая в освоенных частях,
где проводились изыскания под отдельные объекты. Это следует
учитывать при проведении дополнительных обследований и обоб-
щении материалов для обоснования проектов генпланов плани-
ровки; применительно к рассматриваемому примеру г. Братисла-
вы были выполнены:
— обобщение в виде карт масштаба 1 : 10 000 и разрезов име-
ющихся геологических, гидрогеологических и инженерно-геологи-
ческих материалов, включая данные по опыту строительства и де-
формациям зданий и сооружений и эффективности защитных ме-
роприятий;
— инженерно-геологическая съемка контрольного характера в
масштабе 1:10 000, дополненная бурением единичных скважин
для уточнения типичных инженерно-геологических разрезов и за-
115
легания подземных вод, составленных по имеющимся данным, а
также обследованы деформации зданий и выявлены их причины;
— анализ данных по режиму грунтовых вод, а на некоторых
участках заложены опорные гидрогеологические створы, в первую
очередь на площадках возможного подтопления, подтока вод из
массива хр. Мал. Карпаты и утечек из водонесущих сетей;
— выборочно контрольные определения физико-механических
свойств типичных разностей грунтов, особенно малопрочных —
пойменных, старичных и заторфованных фаций аллювия и озер,—
которые могут быть недостаточно надежным основанием для со-
оружений.
Обобщенные материалы и проект планировки генплана города
позволяют определить рациональное использование и меры за-
щиты территории на стадии ПДП отдельных районов города, а
также конкретно сформулировать задачи, виды и объемы гидро-
геологических и инженерно-геологических работ при проектиро-
вании отдельных крупных сооружений. Инженерно-геологические
районы и подрайоны (см. рис. 4.3) не всегда соответствуют гра-
ницам городской застройки, так как ПДП определяются не толь-
ко сложностью природных условий, но и градостроительными
факторами. Жилой район г. Братиславы на правом берегу Ду-
ная — Петржалка — бурно застраивается по проекту детальной
планировки, сносятся старые, преимущественно одноэтажные зда-
ния, прокладываются новые дороги, коммуникации и т. п. Совре-
менная многоэтажная застройка и освоение пойм и низких над-
пойменных террас требовали собтветствующего инженерно-геоло-
гического изучения и осуществления следующих инженерных ме-
роприятий:
— защиты поймы и участков низких террас от затопления и
подтопления в период паводков Дуная;
— вертикальной планировки, подсыпки территории, изъятия
торфяных залежей и создания системы закрытых дренажей для
снижения уровня грунтовых вод до глубин, обеспечивающих уст-
ройство подземных частей зданий и гаражей с учетом техногенного
обводнения;
— установления на опытных площадках эффективности раз-
ных методов укрепления и стабилизации сильносжимаемых глинис-
тых грунтов.
Успешное решение этих задач возможно на основе инженер-
но-геологической карты масштаба 1 : 2000 с расчленением аллю-
вия на фации, отображение на ней и на разрезах их распростра-
нения, физико-механических и фильтрационных свойств, глубин
залеганий и режима грунтовых вод, а также интенсивности и
видов техногенных нагрузок. Получение указанных материалов
потребует обобщения имеющихся данных, проведения целенаправ-
ленных изысканий в оптимальных объемах и учета проектных
решений по выбору кварталов застройки, площадок для отдель-
ных крупных зданий и минимальных затрат на инженерную под-
готовку и защиту территории. Аналогичные работы целесообраз-
но
ны и для района интенсивного градо- и промышленного стро-
ительства на левом берегу Дуная (Ниви, Трнавка и др,).
Иные мероприятия по инженерной подготовке территории и
иные инженерно-геологические данные необходимы для другого
района г. Братиславы, основного по площади, застроенности и
давности освоения. Это делювиальные склоны, участками с погре-
бенными остатками террас и долинами-балками в подножии
хр. Мал. Карпаты, его обрамляющими, включающими территории
Рача, Виногради, Ст Место, Ламача, Дубравка, где идут рекон-
струкция и новая застройка города Инженерно-геологические ус-
ловия этого района значительно благоприятнее, и требуются
обычные мероприятия по благоустройству и ливнестокам для по-
верхностных вод, вертикальная планировка под отдельные и
группы зданий, а также защита берега Дуная от размывов. Сле-
довательно, инженерно-геологическое обоснование ПДП могло бы
быть менее детальным, но из-за изрезанности рельефа целесо-
образен масштаб карт 1 : 2000.
При строительстве высоких зданий в Братиславе наблюдались
неравномерные осадки в тех случаях, когда фундаменты распола-
гались на контактах кристаллических пород с четвертичными или
неогеновыми глинами (на границе районов I и II), а также на
участках с невыбранным торфом (район III).
Одной из особенностей геологического строения многих реги-
онов страны являются древние погребенные долины рек, обычно
выполненные водонасыщенными песчано-глинистыми отложения-
ми, а массивы пброд в бортах долин нередко закарстованы или
деформированы оползнями. Погребенные долины существенно
осложняют инженерно-геологические условия для строительства
плотин, мостов, промышленно-городских, подземных и других
сооружений. Наличие, распространение и строение погребенных
долин важно знать на всех стадиях градостроительства, при
выборе территории от районных планировок до отдельных круп-
ных объектов. Было немало случаев, когда незнание или недо-
учет значения погребенных долин создавали критические ситуа-
ции, особенно при большом техногенном воздействии (краткое
описание одного из них дано ниже).
Взаимодействие крупного города и геологической среды; осо-
бые задачи исследований (на примере Москвы). По новому гене-
ральному плану территория г. Москвы, ограниченная кольцевой
автодорогой, составляет 900 км2, а недавно была увеличена за
счет присоединения Внуковского, Химкинского и других районов.
Огромный город с многообразной, интенсивной, неравномерной и
глубокой техногенной нагрузкой вызывает значительное изменение
геологической среды, особенно ее важнейшего компонента — под-
земных вод. Расширение и реконструкция крупных городов, воз-
растание этажности и массы сооружений, развитие подземной ур-
банистики, метро, коммунальных и иных туннелей, извлечение
в значительных объемах пресных и минерализованных вод из
глубоких горизонтов, утечки из водонесущих сетей, образование
117
Рис. 4.4. Схема распространения и строения погребенных речных долин и ин-
женерно-геологическое районирование территории Москвы (по Г. А. Голодков-
ской и др., 1981, 1984):
1 — днища доюрских долин: I — главной Московской и II — Мытищинской с
притоками; цифры — абс. отметки, м; 2 — днища дочетвертичных (преимущест-
венно плиоценовых) речных долин; водоразделы в плиоценовое (доледниковое)
время; 3 — карстовые котловины (выявленные разведочными работами); 4 —
техногенной верховодки и загрязнение грунтовых вод за счет
инфильтрации хозяйственных и промышленных стоков и другие
воздействия обусловливают необходимость создания специальной
службы наблюдений за режимом гидрогеологических и инженер-
но-геологических процессов, оценки их влияния на территорию и
сооружения города, регулярного обобщения материалов и осу-
ществления дополнительных мер защиты.
Гидрогеологические и инженерно-геологические условия тер-
ритории Москвы на период составления первого генплана города
(1937 г.) оценивались в целом как благоприятные, не создавали
особых опасений. Подъем уровня р. Москвы на 3 м после стро-
ительства канала Москва—Волга угрожал подтоплению пойм и
низких террас в Замоскворечье и других районах; с негативными
последствиями успешно справились путем создания глубоких
кольцевых дренажей с постоянным водоотливом, а в дальнейшем,
при освоении пойм, посредством намыва песчаных грунтов (ста-
дион им. В. И. Ленина и др.). Сложности начали возникать при
бурном развитии города из-за интенсивных откачек подземных
вод со снижением уровня до 38—40 м (Котлов, 1978), с образо-
ванием верховодок и значительным повышением минерализации
грунтовых вод.
Геологическое строение и инженерно-геологическое райониро-
вание территории Большой Москвы описаны во многих работах,
в том числе Г. А. Голодковской с соавторами (1981, 1984), в ко-
торых приводятся схемы распространения погребенных долин,
соотношения мезокайнозойских комплексов и инженерно-геологи-
ческие районы (рис. 4.4). Характерная черта геологического стро-
ения и истории развития Московского региона — наличие глу-
боко эрозионно расчлененных, выветрелых и сильно закарстован-
ных за длительный континентальный период (пермь — средняя
юра) карбонатных пород верхнего карбона, перекрытых толщей
плотных литифицированных глин верхней юры, выше сменяемых
песчаными образованиями волжского (Jgv) и аптского (Кщр)
ярусов. В континентальную эпоху с конца мела и до начала оле-
денения сформировались речные долины с глубокими размывами
на всю мощность меловых и юрских отложений и частично верх-
некаменноугольных известняков. Впоследствии долины были за-
полнены разновозрастными флювиогляциальными и моренными
образованиями. С конца среднего плейстоцена и в голоцене раз-
вилась современная гидросеть с несколькими надпойменными тер-
расами, произошел размыв верхнеюрских глин на участках вы-
сокого залегания известняков карбона. Образовалась сложная
Граница и номера инженерно-геологических районов; выделены по типу геологн-
ческого строения.
Знаки к разрезу: 5 — пески (преимущественно мелкие); 6 — гравий, галечники;
7 — суглинки моренные (gQii); 8 — глины верхнеюрские (Js) литифнцирован-
йые; 9 — известняки и доломиты с прослоями глин, средне- и верхнекаменно-
угольные (Сг—Сз) Возраст и генезис отложений указаны индексами
119
система погребенных речных долин с притоками, в пределах ко-
торых разновозрастные аллювиальные и флювиогляциальные
пески вложены в закарстованные известняки. Это определило
своеобразие гидрогеологических условий района. Напорные воды
из закарстованного верхнего карбона,пьезометрические уровни ко-
торых были выше уреза рек и имели затрудненную гидравличес-
кую связь по разрывам с нижележащими водоносными комплек-
сами, дренировались р. Москвой через эрозионные погребенные
долины. На бортах глубоких доюрских и третичных долин, веро-
ятно, залегают древние оползневые и обвальные массы, что от-
мечалось во многих районах Поволжья и др. По признаку геоло-
гического строения территории Москвы Г. А. Голодковской обо-
собляются 13 инженерно-геологических районов с различными
типами разрезов, геоморфологической приуроченности и гидрогео-
логических условий, в которых строительство требует разной ин-
женерной подготовки.
Обобщение данных геодезических наблюдений (1901, 1936»
1950 и 1965 гг.) за вертикальными смещениями поверхности зем-
ли в Москве, выполненное А. И. Скобковой и Ф. В. Котловым
(1978), показало их неравномерность во времени и пространстве;
суммарные величины опусканий достигают: 0,3—100 см под
массой зданий, до 80 см под влиянием метро, 0,5—1,5 см от
вибрации транспорта и до 4 см при дренировании верховодки и
грунтовых вод.
Многообразное воздействие города в 13 районах неодинаково»
возникают различные негативные геологические и гидрогеологи-
ческие процессы, которые необходимо учитывать при выборе
селитебных, промышленных и зеленых зон, транспортных линий
и размещения подземных объектов. Одним из важных последст-
вий значительных откачек питьевых и минеральных вод из кар-
бонатных толщ при большом снижении уровня явилось образова-
ние обратного фильтрационного потока речных вод на участке
размыва верхнеюрских глин через аллювий погребенных долин
в закарстованные известняки и вмывание в них дисперсных масс
при высоких градиентах потока, что привело к возникновению
провальных воронок, в том числе на застроенной площади.
Детальные и разносторонние инженерно-геологические и гид-
рогеологические исследования позволили оценить степень вероят-
ности провально-суффозионных процессов по признаку мощности
верхнеюрских глин — до 2—3; 2—10 и более 10 м, разделяющих
с разной надежностью водоносные пески и глины от закарстован-
ных известняков, а также разработать указания для размещения
и проектирования зданий города. В связи с неожиданными и
опасными провально-суффозионными явлениями на участках пог-
ребенных долин и влияния водозаборов существенно изменились
задачи и методика инженерно-геологических изысканий для обос-
нования нового строительства. Ранее объем разведочного буре-
ния составлял 200—220 тыс. м в год при глубине скважин 10—
15 м (сфера влияния городских сооружений, исключая метро и
120
мосты). Целенаправленное изучение роли техногенных факторов
и погребенных долин, о которых было давно известно из работ
Б. М. Даньшина, потребовало заложения скважин до глубин
60—80 м и более, проведения различных геофизических и гидро-
геологических исследований.
Велико значение погребенных долин и связанной с ними за-
карстованности карбонатных пород, разуплотнения глинистых
толщ пород, наличия древних оползней и специфической гидро-
динамической обстановки для всех стадий проектирования, стро-
ительства и эксплуатации городов и промышленных и транспорт-
ных объектов, особенно создаваемых в подземных условиях. При
обобщении материалов и проведении изысканий, при выборе тер-
ритории разного использования и обоснования ее инженерной
подготовки и защиты необходимо оценивать не только современ-
ные инженерно-геологические и гидрогеологические условия, но и
учитывать (прогнозировать) их изменения под влиянием различ-
ных сооружений города, строительных и иных работ. Системный
подход, четко сформулированные задачи, целеустремленные оп-
тимальные виды и объемы изыскательских работ и учет опыта
осуществленного строительства — залог успешного решения
Проблемы и исключения опасных «геологических» неожиданнос-
тей, начиная с районной планировки до проектирования отдель-
ных сооружений.
Инженерно-геологические изыскания для отдельных промобъ-
ектов и крупных зданий города. Инженерно-геологические изыс-
кания для обоснования проектирования и строительства отдель-
ных (или группы) крупных зданий города и промышленных со-
оружений выполняются обычно в две стадии — ТЭО и Проект —
на основе данных ПДП, при ориентировочно намеченном разме-
щении; они регламентируются СНиПами 2.02.01-83 и 2.1.02.07-87,
инструкциями и пособиями по производству изыскательских ра-
бот. В общем виде требования к инженерно-геологическому обос-
нованию проектирования индивидуальных объектов, некоторые
особенности конструкций, которые необходимо знать геологу,
сводятся к следующему.
— Материалы инженерно-геологических изысканий должны
быть достаточными для выбора типа оснований и фундаментов,
Определения глубины их заложения, прогноза изменения свойств
грунтов и режима подземных вод, возникновения негативных гео-
логических процессов на участке строительства, а также для
Определения вида и объема мероприятий инженерной защиты.
Особое внимание должно быть уделено подземным водам, их
режиму и подтоплению (с учетом техногенных факторов), влия-
нию на прочностные и деформационные свойства грунтов осно-
вания и на активизацию инженерно-геологических процессов
во времени и приближенно-количественной форме.
— Рекомендуемые с различной доверительной вероятностью
Нормативные и расчетные показатели физико-механических (проч-
ности, деформируемости, плотности, растворимости и др.) и
121
фильтрационных свойств грунтов основания должны характери-
зовать как их пространственную изменчивость в основании со-
оружений, так и вероятные изменения при эксплуатации соору-
жений.
— Расчеты оснований выполняются по деформациям и по несу-
щей способности, исходя из представления совместной работы
основания и сооружения с применением коэффициентов: надеж-
ности по грунту, по условиям работы и надежности по сооруже-
нию; величины коэффициентов различны в зависимости от состава
и строения толщи грунтов основания. Допустимые (предельные)
величины вертикальных и горизонтальных смещений и наклона
сооружений зависят от их класса и конструктивных особенностей.
В СНиПе 2.02.01-83 выделены следующие виды реформаций ос-
нований: осадки вследствие уплотнения грунтов, при котором не
происходит коренного изменения их структуры; просадки, при ко-
торых у грунтов существенно меняются структура и связи, выз-
ванные обводнением (лёссы, легкорастворимые породы), оттаи-
ванием прослоев льда и т. п.; подъемы (выпор) и осадки, обус-
ловленные процессами набухания, усадки и пучения, а также
снятием естественных напряжений в глубоких котлованах; осе-
дание — опускание поверхности земли, вызванное разработкой
полезных ископаемых, понижениями уровней подземных вод
и т. п. Особое внимание уделяется неравномерности осадок фун-
даментов в разных частях сооружений.
— Особые случаи расчетов деформаций оснований и проекти-
рования сооружений предполагают получение дополнительных
данных инженерно-геологических изысканий, когда иа участках
строительства распространены просадочные лёссы, набухающие и
оттаивающие льдосодержащие грунты; илы; биогенные, засолен-
ные и техногенные грунты. Изучение деформационных, прочност-
ных и других свойств таких грунтов требует специальных видов
и методов изыскательских работ.
— Неизбежность использования территорий для строительства
со сложными и малоблагоприятными инженерно-геологическими
условиями определяет применение различных инженерных меро-
приятий по стабилизации грунтовых толщ, дренажу поверхност-
ных и подземных вод, по защите от опасных для сооружений гео-
логических процессов и т. д. Для обоснования проектов и осу-
ществления инженерной и экологической защиты территории
необходимы соответствующие инженерно-геологические данные,
которые должны быть получены при изысканиях на стадии ТЭО
и Проекта.
Важным условием успешного выполнения разнообразных за-
дач изысканий и проектирования ответственных зданий и соору-
жений города, выбора окончательного места, типов фундамента
и конструкций является творческое содружество инженера-гео-
лога, проектанта и архитектора-планировщика как на уровне
выдачи технических заданий на изыскания и приемки отчета, так
и при принятии совместных решений.
122
Особо тщательные исследования для инженерно-геологического
обоснования проектирования и строительства требуют сооруже-
ния, оказывающие давление на грунт в 0,5—0,6 МПа и более,
допускающие неравномерные осадки или крен, например здания
АЭС и металлургических заводов, административные в 30—80
этажей и более, телевизионные и другие высокие башни. В ряде
случаев кроме большой нагрузки на основания от массы зданий
следует учитывать их тепловое воздействие на изменение меха-
нических свойств грунтов. Указанные и иные сложности преодо-
лимы различными решениями конструкции фундаментов соору-
жений в виде толстых плит, «стены в грунте», на глубоких опор-
ных буронабивных сваях, но при условии, что проектирование
своевременно будет обеспечено исчерпывающими инженерно-гео-
логическими данными.
В условиях острого дефицита земель не следует отказываться
от малоустойчивых территорий, сложенных, например, просадоч-
ными лёссами, сжимаемыми торфянисто-старичными глинистыми
грунтами и т. п. В таких случаях необходимо изучить строение
и свойства всей потенциально-просадочной или сжимаемой толщи,
разработать и заблаговременно осуществить меры, например по
уменьшению просадочности лёссов, определить рациональные
типы фундаментов и строго соблюдать водный режим территории;
водонесущие сети следует проложить в защитных коробах, дос-
тупных осмотру. Нередко формально выполненные инженерно-
геологические изыскания под крупные промобъекты и здания
в рамках выданного проектантом технического задания, без
творческого обсуждения итогов и принимаемых в проектах ре-
шений, без учета строения и свойств пород на глубине, за преде-
лами сферы нагрузок от сооружений и практически неизбежного
изменения обводненности и режима подземных вод приводили
К критическим ситуациям и существенным материальным ущер-
бам. В памяти изыскателей, проектантов и строителей должны
остаться недостаточные исследования, неудачные решения с вы-
бором типа фундаментов, ведения строительства и пренебрежения
к водозащитным мероприятиям на многих объектах, в том числе
на Атоммаше, в г. Волгодонске, на промкомплексе в Ровенской
области и др.
Изыскания для АЭС. Для инженерно-геологического обосно-
вания проектирования и строительства АЭС необходимы особо
детальные и разноплановые инженерно-геологические изыскания,
так как к надежности сооружений и устойчивости их основания
предъявляются повышенные требования. Типы фундаментов,
обычно толстые железобетонные плиты, и подготовка, в том чис-
ле упрочнение грунтов основания, должны быть таковы, чтобы
Исключались неравномерные деформации, а перекосы составляли
менее 0,001. Грунты оснований должны быть достоверно оценены
в отношении как сжимаемости под значительной нагрузкой, так
И увеличения деформируемости вследствие их разуплотнения,
проявления тиксотропности и возможного увлажнения при созда-
123
нии глубоких котлованов большой площади. Здания АЭС весьма
чувствительны к сейсмическим и иным вибрационным нагрузкам;
они не могут воспринимать даже малые дифференцированные
тектонические движения. Поэтому на стадии ТЭО при выборе
площадки для АЭС методами геологического картирования, гео-
физической и буровой разведки, геодезическими и другими изме-
рениями должно быть установлено наличие или отсутствие текто-
нических разрывов и подвижек по ним, а также проведено сейс-
мическое микрорайонирование.
В практике строительства АЭС в разных странах встречаются
случаи, когда недоучет сложности инженерно-геологических и
сейсмических условий вызывал тревогу за устойчивость и безопас-
ность сооружений и огромные дополнительные затраты. Нагляд-
ным примером является строительство атомной станции Сан-
Онофре на морском берегу в Калифорнии, США Ч АЭС состоит
из трех блоков с реакторами мощностью: № 1 — 436 МВт
(эксплуатируется с 1968 г.); № 2 и 3 — по 1140 МВт (проекти-
рование их началось в 1970 г.). Существовали разные представ-
ления о сложности геологического строения территории; фирма
«Эдисон» утверждала, что в море имеются короткие прерывистые
неактивные с миоцена тектонические разрывы, и поэтому сейсмич-
ность района может быть оценена ускорением в 0,25 q. Геологи-
ческая служба США доказывала, что зона тектонических разры-
вов в море, в 8 км от участка АЭС, является частью непрерыв-
ной системы сбросов длиной 240 км, которые были сейсмогенными
и подвижными в новейшее время; следовательно, сейсмический
балл необходимо повышать. При проектировании блоков № 2 и 3
была рекомендована величина ускорений 0,5 q для основных
действующих землетрясений и 0,67 q — для максимально вероят-
ных. Несвоевременное изучение геологического строения и сейс-
мичности привело к задержке строительства АЭС, которое было
завершено в 1983 г., а не в 1976 г.; стоимость его возросла по
сравнению с первоначальной от 436 до 4600 млн амер. дол. за
счет изменения и усиления конструкции. Значительные, во много
раз, удорожания имели место при строительстве других АЭС й
ГАЭС в Калифорнии, что следует рассматривать как ошибки
из-за незнания инженерно-геологических и сейсмических условий.
Можно привести другой пример. При строительстве одной из
АЭС в Западной Украине из-за нарушения с отводом с террито-
рии атмосферных и хозяйственных вод, невыполнения водозащит-
ных и дренажных мероприятий произошел подъем уровня грунто-
вых вод на 10—12 м под действующими двумя корпусами и на
смежных площадках, на которых началось возведение последу-
ющих зданий. Вследствие недостаточной изученности инженерно-
1 Данные заимствованы из любезно предоставленного доклада доктора Прин-
циллы Гроу, эксперта Калифорнийской общественной комиссии, прочитанного
на Международном геологическом конгрессе 1984 г. в Москве.
124
геологических условий не были приняты меры против усиления
процессов суффозии из 25-метровой толщи мелко-тонкозернистых
песков, на которых уложены фундаменты зданий, в подстилаю-
щий закарстованный размокаемый писчий мел и затем глубже,
в трещиноватые базальты. Создалась угроза существующим зда*
ниям из-за возможных суффозионно-карстовых провалов, возник
вопрос о целесообразности дальнейшего строительства и о до-
полнительной инженерной защите объектов, изменении конструк-
ций фундаментов у новых объектов и т. п. Площадки для этого
крупного стрбительства были выбраны преимущественно по
«ландшафтным» признакам, без надлежащих инженерно-геологи-
ческих изысканий и учета региональных особенностей геологиче-
ского строения и истории развития района. При разработке про-
екта было пробурено ограниченное количество скважин и недос-
таточной глубины, инженерно-геологическое картирование и спе-
циальные опытные работы не выполнялись. При выявлении в на-
чальный период эксплуатации первой очереди АЭС суффозионно-
карстовых провалов на близрасположенных участках вновь на-
чались разносторонние и весьма объемные изыскания и опытные
работы, в том числе по разработке методов дренирования подзем-
ных вод и укрепления песчаной и карбонатной толщи под дейст-
вующими и строящимися сооружениями. Трудности решения про-
ектно-строительных задач и стоимость объекта существенно воз-
росли.
Главными проблемами инженерно-геологических исследований
для обоснования, проектирования и эксплуатации АЭС является
изучение:
а) геологического строения, литологической изменчивости, тек-
тонической нарушенности, трещиноватости, выветрелости и струк-
турных особенностей пород оснований сооружений АЭС в целях
выбора методов расчетов и моделирования для определения сфе-
ры воздействия вероятных осадок и других деформаций, учета
Их в конструкциях фундаментов и при разработке мероприятий
по упрочению грунтов основания;
б) состава, сложения, состояния и геомеханических свойств
(деформируемости, прочности, геологических особенностей, прони-
цаемости и т. д.) специальными методами всех литологических
типов и разновидностей пород основания с учетом их текстурных
неоднородностей, трещиноватости, выветрелости и сезонной об-
водненности;
в) напряженного состояния массива пород и его элементов ме-
тодами натурного, экспериментального и математического моде-
лирования;
г) распространения, залегания, напоров, режима и химизма
подземных вод с прогнозом их изменения при строительстве и
эксплуатации сооружений как непосредственно на площадках
АЭС, так и в прилегающих районах, обращая- особое внимание
на возможность загрязнения подземных вод, в том числе в облас-
тях питания глубоко залегающих горизонтов;
125
д) инженерно-геологических и гидрогеологических факторов
для обоснования сейсмического микрорайонирования, включая
вопросы новейших и современных тектонических движений;
е) современной подвижности по тектоническим крупным и ма-
лым разломам путем сочетания различных методов, в том числе
измерениями деформаций в шахтах и штольнях внутри массива
пород, дополняемыми сейсмотектоническими, геоморфологически-
ми и геодезическими исследованиями;
ж) современных геологических процессов — эрозионных, се-
левых, обвально-оползневых, карстовых и иных, — представляю-
щих опасность для основных и вспомогательных сооружений энер-
гокомплекса, происходящих как непосредственно в районе их
размещения, так и в отдалении, например при обвально-оползне-
вом перекрытии долины реки с последующими прорывами вод-
ными и селевыми паводками; анализ активизации карстовых,
просадочных и других явлений, вызываемых подпором подземных
вод и возрастанием их агрессивности;
з) методов наиболее эффективного повышения прочности,
уменьшения деформируемости и водопроницаемости грунтов ос-
нований сооружений комплекса АЭС при вероятных повышенных
температурах и агрессивности природных, техногенно-измененных
и хозяйственных вод;
и) влияние изменения геологической среды на экологическую
обстановку района.
Успешное решение важнейших инженерно-геологических проб-
лем строительства АЭС должно быть обеспечено проведением це-
ленаправленных научных исследований и производственных изыс-
каний по обоснованным методикам при условии рациональной их
организации и высоком техническом оснащении.
Инженерно-геологические исследования необходимо выполнять
стадийно, изучая вышеперечисленные задачи с разной деталь-
ностью и с обязательным соблюдением основных принципов
изысканий. Представляется рациональной следующая стадий-
ность инженерно-геологических изысканий для обоснования про-
ектирования и строительства сооружений комплексов атомной
энергетики.
Первая стадия — схема принципиального размещения атом-
но-энергокомплексов в пределах крупных геологических и клима-
тических регионов страны, в которых необходимо их создание.
Эта схема должна быть увязана с проектами районных планиро-
вок и со схемами перспективного развития народного хозяйства.
Целевыми инженерно-геологическими задачами на этой стадии
должны быть инженерно-геологическая типизация территории и
специализированное районирование для ее характеристики и
оценки условий возведения АЭС в наземных и подземных вари-
антах с общим прогнозом изменения геологической среды и прин-
ципиальными рекомендациями мероприятий инженерной защиты
от негативных последствий. Детальность инженерно-геологических
материалов возможно определить масштабом карт 1 :500 000 и
126
1:100000 в зависимости от сложности геологического строения.
Эти работы требуют сбора и обобщения разнохарактерных фон-
довых и полевых материалов, рекогносцировочных маршрутов,
обследований и проведения геодезических, сейсмологических наб-
людений и специализированных аэрокосмосъемок. Необходимо
выделить районы, где природные условия крайне неблагоприятны
и рекомендуется наряду с основным масштабом карт райониро-
вания для типовых участков детализировать характеристики тер-
ритории в виде карт-врезок масштаба 1 : 25 000.
На второй стадии обосновываются с инженерно-геологических
позиций и охранных мероприятий:
— выбор района и участков размещения основных сооружений
АЭС, сопутствующих и других объектов энергокомплекса;
— варианты наземного и подземного размещения основных
сооружений АЭС;
— в принципиальной постановке система мероприятий инже-
нерной и иной защиты территории сооружений энергокомплекса
от негативных геологических и гидрогеологических процессов,
в том числе активизированных техногенными факторами, для
наземного и подземного вариантов АЭС.
Инженерно-геологическая типизация, районирование и оценка
территории с прогнозом процессов осуществляются на картах
масштабов 1 : 25 000—1 : 10000 и для участков с главными объек-
тами 1 : 5000 на основе данных специальных комплексных изыс-
каний и начального этапа режимных наблюдений за подвижно-
стью тектонических структур, сейсмичностью, геологическими про-
цессами и подземными водами. На второй стадии необходимы
научные проработки — экспериментальные, аналитические и
другие по широкому кругу вопросов — сейсмотектонике, напря-
женному состоянию, методике прогнозов изменения геологической
среды при подземных вариантах АЭС, эффективным методам уп-
рочения массивов пород, защите от подземных вод и их загряз-
нения и т. п.
Третья стадия — инженерно-геологическое обоснование проек-
тов всех сооружений энергокомплекса АЭС, предлагающее разно-
образные виды полевых работ, режимных наблюдений, экспери-
ментальных и научно-теоретических исследований в соответствии
с действующими нормативными документами и программой до-
полнительных проработок, задачи которых вытекают из конкрет-
ных особенностей геологической среды данного района, требова-
ний проектирования и охраны окружающей среды и населения.
Инженерно-геологические изыскания и обоснование проекта
градостроительства должны представлять единую систему от рай-
онной планировки до рабочей документации проектов отдельных
объектов; в этом залог рациональных проектно-строительных ре-
шений, предотвращение критических ситуаций и значительных
дополнительных затрат на защитные мероприятия при эксплуата-
ции разнообразных сооружений крупного города со сложным ме-
ханизмом их взаимодействия.
127
§ 3. ЗАДАЧИ И ДЕТАЛЬНОСТЬ ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ НА РАЗНЫХ
СТАДИЯХ ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВА
Основные задачи и признаки инженерно-геологической оценки
современного состояния территории города и прогноза ее изме-
нения кратко определены в первом параграфе главы. Сложная и
взаимообусловленная система: неоднородная динамичная геоло-
гическая среда — многообразие сооружений городов разной чис-
ленности населения и их воздействия, необходимость защитных и
укрепительных инженерных и других мероприятий — обусловли-
вает содержание методики и осуществление оптимальных изыска-
ний. Проектирование и реконструкция крупных городов и пром-
объектов в целом и их отдельных объектов требуют научно обос-
нованных комплексных изысканий, периодически повторяемых,
учитывая непрерывное развитие города, образование агломерации
и появление новых более ответственных сооружений, вызывающих
изменение геологической среды и осуществление дополнительных
защитных мероприятий.
Основные вопросы и задачи инженерно-геологического обосно-
вания градостроительного проектирования на разных стадиях ос-
таются в целом одинаковыми; существенно изменяются деталь-
ность исследований, виды, объемы и методы работ. Это является
одним из положений методики изысканий, научный уровень ко-
торой определяется рациональным ее применением. Содержание
и методы изысканий обусловливаются сложностью инженерно-
геологических и гидрологических условий, которые подразделяют-
ся на три категории:
весьма сложные — это неоднородные комплексы пород, текто-
нические разрывы, интенсивная трещиноватость и складчатость,
глубокое выветривание, пестрые гидрогеологические условия, сей-
смичность, масштабные современные геологические процессы
(горные области Таджикистана, Кавказа, Крыма, Армении, Узбе-
кистана и Карпат, районы городов Алма-Аты, Душанбе и др.),
разнообразная высокая техногенная нагрузка и т. п.;
сложные — менее сложные геологическое строение и гидрогео-
логические условия; геологические и инженерно-геологические про-
цессы активны, обычно не ведут к крупным катастрофам (По-
волжье, долины рек Днепра, Днестра, Ангары, рек Северного
Кавказа и др.; побережья Черного, Азовского и Балтийского
морей);
несложные — закономерное распространение относительно
однородных комплексов пород и подземных вод, ограниченное
распространение геологических процессов средней интенсивности
(города и другие объекты на речных и морских террасах, на
водораздельных поверхностных и пологих склонах, сложенных
прочными и малообводненными породами и пр.).
Категория сложности инженерно-геологических и гидрогеоло-
гических условий может быть повышена, если в районе под вли-
128
янием техногенных факторов возникли или прогнозируются опас-
ные геологические процессы в таких масштабах, что создается
угрожающая обстановка и требуется осуществление дополнитель-
ных мероприятий по инженерной защите территории и сооруже-
ний с учетом социально-экологических факторов.
Для градо-, промышленного и связанного с ним дорожного
строительства принята следующая номенклатура проектной доку-
ментации для инженерной и экологической защиты от опасных
геологических процессов.
Генеральные схемы инженерной защиты территории составля-
ются, как правило, для обоснования проектов районных планиро-
вок и являются их частью (границы определяют по природным и
экологическим признакам с учетом административного деления).
Детальные схемы инженерной защиты надо разрабатывать на
стадиях генеральных планов планировки городов, они являются
нх частью, имеют детальность масштаба 1:25000 — 1:5000
в зависимости от сложности природных условий и величины го-
рода. ТЭО инженёрной защиты необходимо подготавливать на
стадии ПДП части крупного города в масштабах 1 :2000—
1 : 5000 в зависимости от сложности инженерно-геологических ус-
ловий и вида защищаемых объектов. Проекты инженерной защи-
ты должны стать частью комплексных проектов 'крупного горо-
да, транспортных, энергетических и промышленных узлов.
Детальность инженерно-геологических 'изысканий для обосно-
вания проектирования градо- и промышленного строительства на
разных стадиях и при разной сложности района может быть вы-
ражена через масштабы отчетных основных и дополнительных
карт, разрезов и других графических материалов с практическими
рекомендациями и выводами, отражающими результаты исследо-
ваний.
При разработке генеральных планов новых городов, расшире-
нии и реконструкции существующих необходим дифференцирован-
ный подход к инженерно-геологическому обоснованию планиро-
вочных решений и мероприятий как по инженерной защите тер-
ритории города, так и по 'выбору и характеристике участков
размещения отдельных сооружений (мосты, подземные объекты,
уникальные здания и т. п.). Задачи и детальность изысканий на
стадии генплана города более разнообразны и составляют слож-
ную взаимообусловленную систему, поскольку чем больше насе-
ление города, тем выше его техногенная нагрузка на геологичес-
кую среду, тем интенсивнее и сложнее инженерно-геологические
процессы. Рекомендации по инженерно-геологическим исследова-
ниям на разных стадиях представлены в табл. 4.2 и 4.3.
Вслед за определением направлений, задач и детальности ин-
женерно-геологических изысканий для градо- и промышленного
строительства важна практическая их реализация, установление
оптимальных видов, объемов и последовательности выполнения
работ на каждой стадии. Уточним отдельные положения методики
изысканий и некоторые рекомендации.
129
Инженерно-геологическое картирование районов промышленно-
городского и связанного с ними дорожного строительства — основ-
ной, начальный вид работ на стадиях районной планировки, ген-
плана города и ПДП, но с разным содержанием и техническими
средствами. Приемы картирования различны; в зависимости от
задач, стадии и особенностей геологической среды могут быть
в виде ознакомительных рекогносцировок, специализированных
Таблица 4.2
Детальность инженерно-геологического обоснования и проектных
решений инженерной защиты
Стадия Ин женер но - геол о гнческне условия Назначение
ТЭО районной планировки весьма сложные и сложные определение основных направлений ин- женерной защиты для: — территории городов, поселков, со- оружений и земель от совместно- го воздействия ОГП; — предотвращения катастрофичес- ких последствий; — охраны окружающей среды (недр, подземных вод, защиты от павод- ков и т. д.) Масштаб карт 1-200 000
несложные решение тех же задач, рассматрива- емых на иартах масштаба 1:500 000
Проект районной планировки весьма сложные и сложные составление генеральной комплексной СИЗ территории от совместно действу- ющих ОГП: карты масштаба 1 100 000 с врезками на типичных участках и важных народнохозяйственных объектах в масштабе 1:25000—1.5000 для оп- ределения систем мер, их эффективно- сти, стоимости и последующей экстра- поляции на всю площадь
несложные решение тех же задач, рассматрива- емых на картах масштаба 1:200 000, с меньшим числом детальных участков, картируемых в масштабе 1:25 000
маршрутов, сплошной съемки отдельных типичных участков или
всего района застройки.
Проведению любого картирования должны предшествовать
сбор и начальное обобщение фондовых и литературных материа-
лов по геологическому строению, подземным водам, инженерно-
геологическим условиям и опыту строительства, которые помо-
130
Таблица 4.3
Детальность проектных решений по инженерной защите территории городов от опасных геолог ических
процессов и инженерно-геологическому обоснованию
Стадии Инженерно-геоло- гические условия Население городов, тыс. человек Пригородные и зеленые зоны Мосты, метро, подзем- ные и уникальные сооружения Примечание
до 100 до 500 500—1000 и более
Генеральный план планировки города ТЭО весьма сложные и сложные СИЗ ( :25 000) СИЗ (1:100000) сиз (1:50 000) детальная СИЗ (1:5000) 1. Инженерно-геологические разрезы составляются в более крупных масшта- бах, чем карты, в зависимости от слож- ности строения. 2. В скобках указаны масштабы ос- новных карт
несложные схемы не составляются; проектирование в одну стадию СИЗ (1:25000) — —
Проект весьма сложные сложные несложные сиз (1:10000 или 1:25000) детальная СИЗ (1:5000 1:10 000) детальная СИЗ (1:5000); на типич- ных участках врез- ки (1:2000) СИЗ (1:10000) сиз (1:10 000) § 1:1000 д = 1:2000 £ S 2 § 1:5000 н й
Проект детальной планировки (ПДП) части территории города весьма сложные сложные — ТЭО инженерной защиты (1:2000) — проекты сооруже- ний и инженерной защиты (1:1000— 1:2000)
несложные — то же (1:5000) — то же (1:2000— 1:5000)
гут конкретизировать задачи картирования, наметить маршруты
и объекты обследований. Общие методические рекомендации по
инженерно-геологическому картированию изложены в главе II и
различных ведомственных инструкциях. Инженерно-геологическое
обоснование схем и проектов районных планировок и генеральных
схем защиты территории от опасных геологических процессов да-
ется на менее целеустремленно-обобщенных существующих ма-
териалах и при необходимости по данным дополнительного спе-
циализированного маршрутного или участкового картирования.
При разработке проектов генеральных планов планировки го-
рода и ПДП, а также соответствующих им Схем и ТЭО меро-
приятий по инженерной подготовке и защите от негативных гео-
логических процессов необходимы различные инженерно-геологи-
ческие материалы, характеризующие современную устойчивость
территории и прогноз ее изменения под многообразным воздейст-
вием расширяющегося и реконструируемого города и строитель-
ных работ. На этих стадиях помимо обязательных целенаправ-
ленных обобщений имеющихся инженерно-геологических материа-
лов, по опыту строительства, анализу деформации зданий, эколо-
гическим последствиям и эффективности осуществленных укрепи-
тельных мероприятий проводятся следующие виды работ.
1. Инженерно-геологическое картирование, выборочное на ти-
пичных участках с последующей экстраполяцией данных или пло-
щадное всей территории города и его района (для ПДП) с целе-
вой направленностью для установления видов, распространения,
интенсивности и степени опасности геологических и инженерно-гео-
лбгических процессов и подземных вод, их изменения по сравне-
нию с предыдущим этапом геологических изысканий как в целом,
так и для участков городской застройки и отдельных крупных
зданий и сооружений. В задачу картирования входят накопление
исходных данных и прогноз инженерно-геологических условий,
знание которых необходимо для обоснования и заблаговременного
осуществления мероприятий по инженерной защите территории и
сооружений, особенно в районах со сложной геологической средой
и развитием опасных процессов.
2. Дополнительные (в ограниченном объеме) разведочные ра-
боты (геофизические, шурфовочные и буровые) с задачами увяз-
ки существующих данных и уточнения геологического строения,
залегания и режима подземных вод, отбора монолитов пород
для контрольных определений физико-механических свойств.
3. Лабораторно-экспериментальное изучение состава, физико-
механических свойств типичных литологических разностей грун-
тов в целях корректировки и увязки данных, собранных и обоб-
щенных по фондовым и опубликованным материалам ранее вы-
полненных исследований. На стадии генплана города для предва-
рительного суждения о возможных величинах осадок и других де-
формаций зданий и сооружений в пределах различных инженер-
но-геологических участков свойства пород достаточно охарактери-
зовать с детальностью обобщенных показателей; дополнительные
132
лабораторные испытания должны быть минимальными. При раз-
работке ПДП целесообразен больший объем лабораторных ис-
следований прочности, деформируемости и водопроницаемости
грунтов, так как возможны ориентировочные расчеты устойчивос-
ти отдельных крупных жилых и производственных зданий или
уникальных объектов, предварительное проектирование дренаж-
ных и других мероприятий в целях определения наиболее рацио-
нального их местоположения в сочетании с квартальной застрой-
кой. В этих случаях различные показатели свойств пород и об-
щую характеристику возможных методов их улучшения (техни-
ческой мелиорации) необходимо дать более детально, на уровне
приближенных расчетных значений.
При обобщении имеющихся материалов и выборе показателей
свойств пород следует широко использовать результаты различ-
ных наблюдений за состоянием территории, осадками зданий и
эффективностью укрепительных и дренажных мероприятий, а
также нормативные данные из СНиПов, региональных инструк-
ций и др.
Критический анализ данных фактических наблюдений за де-
формируемостью грунтов оснований и самих сооружений разных
конструкций, выявление их причин при различном геологическом
строении и обводненности — наиболее объективный критерий для
оценки степени пригодности территории и для принципиального
выбора мер инженерной защиты. Натурные опыты по определе-
нию механических и иных свойств и состояния грунтов на рас-
сматриваемых стадиях, как правило, не проводятся. Методы ла-
бораторного изучения пород изложены в «Методическом пособии»
под редакцией Е. М. Сергеева (1984, т. 2). Особенности инженер-
но-геологического картирования, документации разведочного бу-
рения, режимных наблюдений за геологическими процессами и
подземными водами рассмотрены в главе III настоящего учебни-
ка и в различных ведомственных инструкциях и пособиях по
методам работ.
Научный уровень методики инженерно-геологического обосно-
вания проектов планировки городов, включая Схемы и ТЭО ин-
женерной защиты, на стадии генплана и ПДП заключается не
в формальном сборе материалов, а в умении: обобщить весьма
разнородные по содержанию данные предшествующих изысканий
и опыта строительства, извлечь из отчетов наиболее достоверные
сведения, установить необходимость проведения целенаправлен-
ных и в минимальных объемах дополнительного картирования,
обследований, разведочных выработок и лабораторных испыта-
ний. В результате разработки проектов генплана и ПДП города
в обосновывающей инженерно-геологической части приводится
краткая программа гидрогеологических, инженерно-геологических
и других наблюдений с формулировкой их задач и методов вы-
полнения применительно к природным особенностям района (уча-
стка), к видам сооружений, в нем расположенных, строительным
работам и характеру использования территории.
133
Содержание и методика выполнения гидрогеологических изыс-
каний на площадках промузлов, отдельных крупных зданий, со-
оружений и уникальных объектов города на стадии ТЭО, Проек-
та и рабочей документации регламентируются СНиПами
2.02.01-83, 1.02.07-87, инструкциями общего и ведомственного на-
значения. Они должны быть целенаправленными, исходить из
сложности геологической среды, вида сооружений и характера его
воздействия и быть оптимальными по объемам работ. Особенно
тщательное изучение проводится на площадках ответственных
сооружений, нередко больших параметров, не допускающих не-
равномерных или значительных осадок, грозящих прекращением
их эксплуатации, огромным материальным ущербом и катастро-
фическими последствиями, например при деформациях зданий
АЭС, ГРЭС, химических, металлургических и подобных объектов.
В разных случаях, если у инженера-геолога, проводящего изыс-
кания на стадии ТЭО, нет достаточной уверенности в рациональ-
ной возможности и успешном строительстве проектируемых со-
оружений, то он обязан предложить и обосновать с инженерно-
геологических позиций варианты систем инженерной защиты, вы-
бор других площадок или размещение основных объектов в под-
земных условиях, например зданий АЭС, ГАЭС, промышленных
и других, с учетом допустимости их компоновки и технологии
производства.
Изыскатель и проектант в ответственных случаях обязаны
прибегать к квалифицированным экспертизам по результатам
инженерно-геологических исследований для выбора площадок,
типов фундаментов и конструкций сооружений, а также для мер
инженерной и экологической защиты от негативных и опасных
геологических процессов, особенно если они активизированы
техногенными факторами, включая производство труднорегулиру-
емых строительных работ.
Глава V
ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И СТРОИТЕЛЬСТВА
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ
Гидротехническое строительство развивается высокими темпами
и связано с решениями проблем энергетических, ирригации и осу-
шения сельскохозяйственных земель, водообеспечения крупнейших
городов и промузлов, транспортных и др. В Основных направле-
ниях экономического и социального развития СССР на 1986—
1990 годы и на период до 2000 года, намечены пути решения
конкретных проблем энергетики, народного хозяйства и крупных
объектов страны.
Созданы и завершается строительство каскадов гидроузлов —
плотин, ГЭС, шлюзов и водохранилищ: на Волге (Иваньковский,
Угличский, Рыбинский, Горьковский, Чебоксарский, Куйбышев-
ский, Саратовский и Волгоградский); на Каме (Пермский, Вот-
кинский и Нижнекамский); шесть на Днепре; на Ангаре (Иркут-
ский, Братский, Усть-Илимский, строится Богучанский). Ведутся
изыскания, проектируются, строятся и эксплуатируются гидро-
энергетические комплексы на Енисее, притоках Лены, на Колыме,
Вилюе, Вахше, Пяндже, Ингури и других реках страны. Особым
направлением являются изыскания и проектирования для строи-
тельства ГАЭС в областях острого дефицита электроэнергии в ве-
чернее время.
Многие каналы комплексного назначения проектируются, стро-
ятся и частично эксплуатируются: Каракумский, Волго-Донские,
на Северном Кавказе, в Донбассе и др.; иа эксплуатируемых
каналах проводятся различные режимные наблюдения за их вли-
янием на прилегающую геологическую среду. Широким фронтом
ведется берегоукрепительное строительство на Черном, Азовском,
Балтийском и других морях в целях защиты ценнейших прибреж-
ных территорий и их освоения. На всех морях и водохранилищах
осуществляются реконструкция существующих и строительство
новых портов и связанных с ними сооружений.
Проектирование и строительство крупных гидроузлов на Вол-
ге, Днепре, Каме, Ангаре, Енисее и других реках в 50 и 60-е
годы осуществлялись без достаточно глубоких и объективных
135
экологических и экономических проработок, без выполнения необ-
ходимых защитных инженерных и восстановительных мероприя-
тий и без учета социальных последствий, несмотря на наличие
обстоятельных изыскательских инженерно-геологических материа-
лов. Подходы к оценке материального ущерба и экологических
последствий от создания водохранилищ были необоснованы;
в настоящее время размеры потерь и стоимость защитных меро-
приятий определяются по новым показателям и составляют ог-
ромные суммы. Однако создание гидроузлов в те времена решило
многие проблемы энергетики, ирригации, водоснабжения и другие,
хотя недостаточность вариантных проработок отразилась негатив-
ным образом.
Сложные инженерно-геологические проблемы возникают при
проектировании строительства и эксплуатации гидротехнических
сооружений, размеры которых и интенсивность воздействия на
геологическую среду непрерывно возрастают.
В комплексы гидротехнических сооружений входят:
Гидроузлы разного назначения состоят из: плотин разных ти-
пов, наземных и подземных зданий ГЭС; шлюзов и судоподъем-
ников; деривационных каналов, трубопроводов и туннелей напор-
ных и безнапорных; различных подземных камер; вспомогатель-
ных объектов: поселков, дорог, мостов, бетонных заводов, карье-
ров и т. п.
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), включающие
-верхнее и нижнее водохранилища, с ограждающими дамбами,
наземными или 'подземными трубопроводами и здания ГЭС, рас-
положенные обычно на глубине 30—40 м ниже уровня реки.
Водохранилища разного назначения, площадей, объемов и
с колебаниями уровней от нескольких до 90 м.
Каналы судоходные, ирригационные, водоводные и дериваци-
онные, разной протяженности, с глубокими выемками, насыпями,
дюкерами и мостами.
Портовые и берегоукрепительные сооружения на морях, во-
дохранилищах и реках.
Взаимодействие с разнообразными геологическими средами
гидротехнических комплексов вызывает весьма различные инже-
нерно-геологические процессы, и требуются соответствующие
изыскания, методики которых разрабатываются применительно
к видам объектов и стадиям проектирования в проектно-изыска-
тельских институтах Гидропроект, Союзгипроводхоз, Союзморнии-
проект, Гипрокоммунхоз и др. Важно обеспечить целенаправлен-
ность и комплексность исследований, проектирования рациональ-
ных вариантов, в том числе на конкурсной основе. Особенностью
современного энергетического строительства является создание
комплексов, состоящих из АЭС, плотины, ГЭС, ГАЭС и водохра-
нилищ, города в 40—50 тыс. жителей.
Крупные каналы обычно имеют комплексное использование,
однако выделяется главное назначение; например, канал Моск-
ва—Волга, включающий несколько водохранилищ и плотин, стро-
136
ился для водоснабжения г. Москвы и судоходства; Волго-Балтий-
ский канал с серией водохранилищ и плотин имеет преобладаю-
щее транспортное назначение.
§ 1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ГИДРОУЗЛОВ
Среди комплекса сооружений гидроузлов на реках равнинно-плат-
форменных и горно-складчатых областей наиболее ответственным
объектом является плотина, однако обоснование проектирования
зданий ГЭС и деривационных объектов также представляет слож-
ные инженерно-геологические задачи. Для общего представления
в табл. 5.1 приведены данные по небольшому числу плотин с раз-
нообразными инженерно-геологическими условиями и указаны
объемы основных видов изыскательских работ.
Осложнения при строительстве и аварии плотин из-за недо-
учета инженерно-геологических условий. Статистические подсчеты
свидетельствуют, что во всем мире в XX столетии было разруше-
но около 1% плотин, серьезно деформировано или повреждено
примерно 2% больших плотин из их общего количества 9000; по
мнению Л. Мюллера, от трети до половины разрушений связано
с геологическими причинами. В СССР разрушений плотин, по-
строенных с энергетическими или водохозяйственными целями,
не было. Имеются единичные случаи; например, в 1983 г.
в г. Стебнике Львовской области произошел прорыв земляной
плотины высотой 40 м, созданной для хранения отходов калийно-
го комбината; из водонасыщенных глинисто-солевых масс возник
быстрый грязевой поток, достигший р. Днестра и остановивший-
ся в водохранилище Днестровской ГЭС.
Причины разрушений и деформация плотин различны, среди
них выделяются:
— геологические, не выявленные при изысканиях и не учтен-
ные при проектировании, — возможность крупных оползней, обва-
лов, каменных лавин, карстовых провалов, современных подвижек
по разломам и высокой сейсмичности, возникших под действием
как природных, так и техногенных факторов;
— гидрогеомеханические — возникновение интенсивных и
с высокими градиентами фильтрационных потоков, воздействую-
щих на породы, развитие в них суффозии, выщелачивания, взве-
шивающего давления, оползней, карста и т. п., а также большие
потери на фильтрацию, например в закарстованных массивах;
— проектные — случаи, когда из-за невысокой квалификации
изыскателей или проектантов и по иным мотивам приняты оши-
бочные решения по выбору местоположения плотины, ее типа,
методов строительных работ и т. п., когда сооружение и геологи-
ческая среда не образуют согласного комплекса; обычно это про-
исходит, если проектирование и изыскания разобщены, геолог и
гидротехник не принимают совместных решений;
— строительно-технологические — когда нарушается проект,
137
Таблица 5.1
Данные о проектируемых, строящихся и эксплуатируемых плотинах и ГЭС на 1986 г.
Название плотин и ГЭС, река и страна Тип плотины Высо- та, м Состояние Породы основания Источники данных Объемы изыскательских работ: —бурение, пог. м—«Б» —штольни, шахты, пог. м—«Ш», —нагнетания, откачки, опыт—«О>
СССР Куйбышевская, р. Волга земляная и бетонная 40 зкспл. глииы плиоцена мягкие, в переуглуб- лениях, перекрытых песчано-галеч- ным аллювием со старичными гли- нами т. 10, 1986 Б—64 180 (колонко- вое) и 216 716 (удар- ное; О—1550)
Нижнекамская, р. Кама то же 40 пестроцветные глины, алевролиты, песчаники с прослоями известняков (Р2); напорные воды т. 8, 1980 Б—77 707 (колонко- вое и ударное): 0—257
Братская, р. Ангара бетонная гравитационная 125 экспл. интрузия диабазов в песчаники и ар- гиллиты (От2), трещиноватые; Е: диабазы—13 0004-44 000; песчаники—23 600 т. 2, 1962 Б—100 000; Ш—3250, 0—2620
Красноярская, р. Енисей бетонная гравитационная 130 экспл. граниты (D2) трещиноватые, разлом на створе; Е—50004-14 000 т. 5, 1967 Б—98 000; Ш—1230; 0—3290
Саяно-Шушенская, р. Енисей арочно- гравитационная 240 строится сланцы ороговикованные, прочные, трещиноватые, с тектоническими зо- нами; £—12 000-7-44 000 т. 8, 1980 Б—41 400; Ш—2500; 0—5017
Токтогульская, р. Нарын то же 200 экспл. известняки слабометаморфизованные, сильнотрещиноватые, разломы, склад- чатое залегание (CJ; Е—5 0004-18 000 т. 8, 1980 Б—11 500; Ш—7900; 0—695
Продолжение табл. 5.1
Название плотнн и ГЭС, река и страна Тип плотины Высо- та, м Состояние Породы основания Источники данных Объемы изыскательских работ —бурение пог. м—«Б> —штольии, шахты, пог. м—«Ш»: —нагнетания, откачки, опыт—«О»
Камбаратинская, р. Нарын Рогунекая, р. Вахш каменио- взрыво- набросная камеиио- набросиая 250 330 проектиру- ется строится граниты трещиноватые, с разломами алевролиты, песчаники, слоистые, трещиноватые, складчатого залега- ния, с разломом на створе и што- ком соли А. В. Колич- ко, 1981
Ингурская, р. Ингури арочная 270 строитель- ство завершено известняки и доломиты (Кх) слоис- тые: складчатые, трещиноватые, раз- лом на створе: Е— 1 000—15000 т. 8, 1980 Б—9700; Ш-5300; 0—955
Худонская, р. Иигури арочная 200 строится вулканогенно-осадочные туфопесча- ники, туфосланцы, слоистые, трещи- новатые, выветривающиеся (J2), раз- лом на створе
Чиркейская, р. Сулак арочная 230 экспл. известняки с прослоями мергелей (Кг) трещиноватые: Е—5 000-? 13 000 т. 9, 1984 Б—44 772; Ш—4260; 0—4223
Вайонт, Италия, Глен-Каиьон, США арочная арочная 262 216 не экспл. экспл. известняки, доломиты; £-14 0004-20 000 песчаники; Е—9000 № 50, то 1977 же водохранилище раз- рушил грандиозный оползень
Примечания. 1. Данные взяты из: а) сборников Гидропроекта «Геология и плотины»; в графе указан номер тома
и год; б) трудов Гидропроекта; указан № выпуска и год.
2. Средние величины модуля общей деформации Е даны в МПа.
производство работ, не соблюдается предусмотренная технология,
качество строительных материалов и т. п.; в эту группу можно
отнести нарушения режима эксплуатации, отсутствие наблюдений
за деформацией основания и плотины, фильтрационных потоков
и т. д., что исключает возможность осуществления дополнитель-
ных мероприятий, предотвращающих опасные последствия.
За последнюю четверть века произошло несколько катастроф
с плотинами, например:
— в 1959 г. внезапно была разрушена арочная плотина Маль-
пассе во Франции, что привело к гибели 450 человек в г. Фре-
жюс; последующие исследования выявили тектоническое наруше-
ние в основании плотины, неустойчивый блок, процессы суффозии
в трещинах и высокое взвешивающее давление; обстоятельных
инженерно-геологических изысканий для обоснования проекта
не было проведено;
— в 1963 г. произошло разрушение земляной плотины Болду-
ин Хилз (США) высотой 80 м, вызванное смещением ( — 20 см)
по тектоническому разрыву в ее основании из-за разработки неф-
тяного месторождения; через деформированное асфальтовое пок-
рытие в дне водохранилища возникла фильтрация, приведшая
к размыву основания; погибло 5 человек, и ущерб составил
11 млн амер, дол.;
— в 1963 г. на левом борту водохранилища Вайонт (Италия)
образовался оползень объем 250 млн м3, под влиянием которого
произошел перелив через гребень и ниже плотины сформировался
селевой поток, приведший к разрушению г. Ланжерон и гибели
около 2000 человек (Золотарев, 1983, с. 202);
— на земляных плотинах в США Титон (высота 93 м)
в 1976 г. и Узко (высота 43 м) в 1964 г. из-за возникновения
сильной фильтрации и при недостаточных противофильтрацион-
ных мероприятиях произошли прорывы в теле плотин, оползание
низового откоса и прекращение их эксплуатации.
Несоизмеримо больше случаев серьезных осложнений при про-
ектировании и строительстве высоких плотин было из-за недоста-
точного или несвоевременного изучения инженерно-геологических
условий. Рассмотрим несколько типичных примеров, имеющих
методическое значение для проведения инженерно-геологических
изысканий.
В условиях сложного тектонического строения, при наличии
разломов в основании или вблизи плотины, возможности их под-
вижек и сейсмогенности строятся и эксплуатируются плотины и
ГЭС: Красноярская, Ингурская, Худонская, Нурекская, Байба-
зинская, Рогунская, Бурейская, Токтогульская, Зейская и др
Зона древнего разлома в гранитах основания бетонной 100-мет-
ровой Красноярской плотины имеет изменяющуюся ширину от
15 до 30 м и представлена гидротермально-измененной каолини-
зированной породой (Леонов, Мазуров, Пирогов, 1967; Золотарев,
1983, с. 38). По косвенным признакам геологи пришли к заклю-
чению о древности нарушения и его стабильности; кроме того,
140
в котловане обнаружилась крупная трещина, полого падающая
вниз по реке. Эти особенности строения основания, выявленные
при строительстве, потребовали углубления котлована, заделки
трещины и увеличения объема бетонных работ.
На стадии проекта, когда был выбран створ арочной плотины
Ингури ГЭС и началось строительство, на правобережном при-
мыкании обнаружился на 90 м ниже НПУ неширокий (до 8—
10 м) разлом, являющийся оперением к глубокому Ингиршскому
разлому. Возникли вопросы о его подвижности и влиянии на кон-
струкцию правой части арки; были проведены дополнительные
исследования, снижен напор и предприняты укрепительные меро-
приятия.
О наличии тектонических разрывов на участках Токтогуль-
ской, Нурекской и Рогунской плотин было известно на стадии
ТЭО, но они не были достаточно изучены; исследования продол-
жались на стадиях Проекта и строительства, что затрудняли
своевременное принятие окончательных решений.
Большие трудности из-за недостаточных исследований возникли
при строительстве плотин на сильно закарстованных массивах
в Турции, Испании, Ираке, Югославии и других странах.
Во всем мире наибольшие сложности при изысканиях и про-
ектировании, а также дополнительные затраты при строительстве
плотин обусловливались наличием в примыканиях существующих
и потенциальных оползней, обвалов и общей неустойчивостью
склонов. На выбор створа для высоких плотин, их конструкции и
защитных мероприятий на реках Пяндж, Вахш, Нарын и других
в Средней Азии; Ингури, Сулаке, Риони и других на Кавказе;
Днестре, Волге, Ангаре и других реках на платформах сущест-
венно влияли возможная неустойчивость как оползневых склонов,
так и откосов глубоких котлованов. Высокая сейсмичность, при-
водящая к нарушению строительных работ и их удорожанию,
типична для плотин во многих странах мира.
При изысканиях и проектировании нельзя забывать о часто
встречающейся особенности геологического строения речных до-
лин — о наличии древних глубоких погребенных русел, выпол-
ненных водонасыщенными песчаными и мягкими глинистыми
породами. Интересные примеры в методическом отношении пока-
зывают изыскания по изучению погребенных долин, выполненные
для строительства Нижнекамской, Куйбышевской и остальных
плотин в Поволжье и Прикамье. Для выбора створа плотин на
Каме, Днепре и других реках выполнены большие объемы раз-
ведочного бурения — по 64—77 тыс. пог. м (см. табл. 5.1), что
связано с изучением местоположения и строения неогеновых до-
лин Волги и Камы и поисками наилучшего створа. Подобные ра-
боты надо рассматривать как опыт изысканий, и в настоящее
время такие объемы бурения нерациональны, так как имеются
иные методы исследований, например геофизические разведочные.
Главные задачи инженерно-геологических изысканий для гид-
роузлов. Материалы изысканий должны охарактеризовать компо-
141
ненты геологической среды, прогноз ее изменения под влиянием
природных и техногенных факторов; на различных стадиях необ-
ходимы изучение и оценка с разной детальностью следующих
факторов:
1) деформируемости и прочности неоднородных трещиноватых
массивов (и элементов) пород основания и примыканий плотины
и других объектов гидроузла с учетом действующих напряжений,
изменения свойств от воздействия строительных работ и фильтра-
ционных потоков для обоснования: выбора мест и типов сооруже-
ний; их надежности; необходимости упрочнения оснований и для
решения других проектных задач; особого внимания требует изу-
чение основания в закарстованных, многолетнемерзлых, просадоч-
ных, растворимых и сильносжимаемых породах;
2) современной устойчивости склонов и прогноза ее измене-
ния, включая оползни, обвалы и другие явления, определение
степени опасности для сооружений и производства строительных
работ, обоснования рациональной компоновки, конструкций со-
оружений и защитных мероприятий;
3) разрывных и складчатых структур, режима и величин их
современных движений и напряженно-деформированного состоя-
ния массивов пород, что важно для определения их влияния на
устойчивость сооружений и склонов, на сейсмическое микрорайо-
нирование;
4) современных гидрогеологических условий, прогноза возник-
новения и режима фильтрационных потоков и потерь в целях
определения «силового» и химического воздействия на породы ос-
нования и склонов, на активизацию оползней, карста и других
процессов, а также для обоснования системы дренажных и про-
тивофильтрационных мероприятий;
5) особенностей геологической среды, определяющих инженер-
но-геологические критерии сейсмического микрорайонирования, и
их разработки;
6) современных экзогенных геологических и инженерно-геоло-
гических процессов — оползней, обвалов, курумов, селевых пото-
ков, карста и других опасных явлений для сооружений гидроузла
и их строительства в целях разработки и своевременного осуще-'
ствления инженерной защиты.
Для успешного решения поставленных главных задач изыска-
ний, от которых зависит уровень проектирования, необходимо
изучение следующих вопросов, непосредственно с ними связанных,
что позволит более достоверно обосновать оценку:
— стратиграфо-литологическое, фациальное расчленение фор-
маций и массивов пород — осадочных, магматических, метамор-
фических и континентальных, выявление их изменчивости, основ-
ных деформирующих горизонтов, слоев и контактов, завершаемое
составлением детальных пластово-структурных карт, особенно не-
обходимых для стадий ТЭО и Проекта;
— пространственно-количественный анализ литогенетической,
тектонической, экзогенной и техногенной трещиноватости массива
142
(толщи), пачек пород и их элементов для учета ее изменчивости
и роли при оценке геомеханических свойств, фильтрации, дефор-
мируемости и развития экзогенных процессов;
— изучение процессов разгрузки напряжений и выветривания,
строения и свойств древних и современных кор и зон как среды
развития опасных геологических процессов; как пород, непосред-
ственно воспринимающих воздействие сооружений и требующих
частичного удаления или упрочнения;
— инженерно-геологическое и гидрогеологическое обоснование
способов производства строительных работ — проходки глубоких
котлованов, водопонижения, укрепительных и противофильтра-
ционных инъекций (цементации и др.), возможности создания
плотин взрывами и т. п.;
— разработка новых и совершенствование существующих ме-
тодов анализа и прогноза: сравнительно-геологического, физичес-
кого и математического моделирования применительно к особен-
ностям строения геологической среды, процессам и характеру
действия техногенных факторов.
Обособленной задачей изысканий, важной для определения
стоимости сооружений, являются поиски и разведка месторожде-
ний естественных строительных материалов — песков и щебня
для бетона, камня, супесей и суглинков для тела плотины, про-
тивофильтрационных экранов и ядра плотины.
Важнейшие компоненты инженерно-геологических условий изу-
чаются и оцениваются на разных стадиях проектирования с не-
одинаковой детальностью и с применением различных методов.
Следующие инженерно-геологические условия могут рассматри-
ваться как прямые противопоказания для создания плотин и дру-
гих сооружений гидроузлов:
— потенциальная общая неустойчивость склонов и возмож-
ность возникновения на них оползней или обвалов, способных
разрушить или засыпать сооружения, разобщить водохранилище,
вызвав катастрофические паводки и селевые потоки, предотвра-
тить которые практически невозможно или требуются трудно
оцениваемые мероприятия;
— высокая сейсмичность, при которой не обеспечивается ус-
тойчивость сооружений;
— наличие в основании бетонных плотин и других сооружений
гидроузла и в зоне подземных зданий ГЭС активных тектоничес-
ких разломов с высокими напряжениями, в том числе горизон-
тальными, с величинами до нескольких десятков мегапаскалей;
— исключительно большая закарстованность массива и актив-
нее карстовые процессы в легкорастворимых породах, опасные
последствия которых предотвратить технически очень трудно или
экономически нецелесообразно.
Другие компоненты инженерно-геологических условий, как,
например: сильная трещиноватость и в связи с ней неудовлетво-
рительные показатели прочности, деформируемости и водопрони-
цаемости пород; мощная зона выветривания и необходимость
143
значительных врезок и укрепления пород основания и т. д. —
существенно осложняют выбор места и типа сооружения, так как
обусловливают дополнительные инженерные мероприятия и уве-
личивают стоимость сооружений, но при объективной их оценке
не являются угрозой для устойчивости плотины.
Инженерно-геологические изыскания для обоснования. Схемы
комплексного использования рек. Составление Схем использова-
ния стока рек как важнейшего проектного документа и соответ-
ствующие комплексные изыскания являются обязательными; были
разработаны Схемы для Енисея, Ангары, Амура, Нарына, Вахша,
Пянджа, Ингури, Днепра и других рек страны. Аналогично раз-
работана Схема размещения гидроузлов и ГАЭС на Ваге в Сло-
вакии (ЧСФР). Наглядным примером для понимания задач и ме-
тодов изысканий на стадии Схемы является размещение гидро-
узлов в долине р. Ингури (рис. 5.1); инженерно-геологические
условия каждого из них существенно различны. Для энергетичес-
кого использования стока р. Ингури запроектирован каскад из
пяти плотин и водохранилищ, центральная из них — Ингурская
плотинно-деривационная ГЭС с НПУ 510 м — уже частично экс-
плуатируется. Высота арочной плотины 270 м, она создает водо-
хранилище объемом 1,1 км3, вода из которого с расходом
450 м3/с по 15-километровому напорному туннелю диаметром
9,5 м поступает к силовому узлу, а затем в Гальское водохрани-
лище, образованное каменно-земляной плотиной действующей
Перепадной ГЭС-I. На отводящем деривационном канале постро-
ены три ГЭС: II, III и IV, ниже которых воды сбрасываются в море.
Строительство Ингурской ГЭС с переносом основного стока
реки по каналу к северу от естественного русла и сохранением
в нем только минимальных расходов — санитарных и для водо-
снабжения — привело к изменению в прибрежной зоне режима
моря, сокращению поступления наносов из реки и к активизации
размыва берегов между каналом и устьем Ингури. Требуется осу-
ществление берегозащитных мероприятий значительной стоимости,
для обоснования которых были необходимы соответствующие мор-
ские гидрологические и геологические исследования.
Разнообразие геологической среды и различные сооружения
гидроузлов, намечаемые при проектных проработках на стадии
Схемы по рельефу долины р. Ингури, водохозяйственным и иным
расчетам, ставят перед инженерно-геологическими изысканиями
многие задачи и вопросы. Для инженерно-геологического обосно-
вания Схемы размещения гидроузлов в горной части долины Ин-
гури от Пари ГЭС, включая плотину Ингури и район силового
узла ГЭС у Соберио, необходимы инженерно-геологические съем-
ки масштаба 1 : 25 000 с врезками вероятных участков располо-
жения плотин в масштабе 1 : 5000-Н1 : 10 000. В процессе съемок
изучаются главные особенности геологической среды: а) неотек-
тонические структуры, разломы, их возможная подвижность и ис-
тория формирования долины реки и ее склонов; б) строение,
в том числе зоны выветривания, типизация и устойчивость скло-
144
нов, наличие и прогноз оползней, обвалов и других процессов;
в) закономерности гидрогеологических условий, закарстованность
пород и водоудерживающая способность чаш водохранилищ;
г) микросейсмическая обстановка. Изучение физико-механических
свойств основных типов пород проводится на отдельных опорных
разрезах, и оценка их дается с использованием фондовых и нор-
мативных материалов. По геологическим соображениям и ана-
логам характеризуются вероятные естественные напряжения. По
материалам съемки организуются инструментальные наблюдения,
проводимые на стадиях изысканий для ТЭО и Проекта за текто-
ническими подвижками по сети геодезических реперов и точек,
по наклономерам и другим приборам, располагаемым на харак-
терных структурных блоках; на специальных полигонах устанав-
ливаются сейсмографы для изучения режима землетрясений и их
последствий.
Районы размещения Перепадных ГЭС как имеющие более
простое геологическое строение целесообразно картировать в мас-
штабе 1:50 000 с детализацией участков вероятного расположе-
ния ГЭС. Картирование во всех районах ведется с применением
фотограмметрических методов, с использованием аэро- и космо-
снимков и дополняется электро- и сейсморазведочными работами,
как правило, на участках типичного строения и возможного раз-
мещения гидроузлов. Горные и буровые работы применяются
в малых объемах и предназначаются для интерпретации (как
эталоны) геофизических данных и для подтверждения геологиче-
ских предположений о разломах и их водоносности, о переуг-
лубленных долинах, мощности кор выветривания и др.
Институтом Гидропроект изданы ведомственные руководства
по определению состава и объемов работ по выполнению различ-
ных инженерно-геологических работ. Необходимо иметь в виду,
что инженерно-геологические условия почти каждого крупного
гидроузла и проектные решения неодинаковы; это практически
исключает тождественность задач и методов изысканий. К прог-
раммам комплексных изысканий следует предъявлять высокие
требования по определению целей и задач, выбору видов и мето-
дов работ, к последовательности их осуществления на всех ста-
диях во избежание геологических ошибок, влияющих на проектные
решения, на эффективность ГЭС и гидроузлов.
Каскад ГЭС на Ангаре. Построенная Иркутская и проектиро-
вавшиеся Тельманская и Суховская плотины располагаются
в пределах континентальных мезозойских отложений — слоистой
толщи песчаников и алевролитов с прослоями углей. Главным
вопросом изысканий была оценка выветрелости, геомеханических
свойств и суффозионной устойчивости пород в основании бетон-
ных сооружений гидроузла. Для остальных бетонных плотин кас-
када (Братская и др.) высотами до 100 м была поставлена зада-
ча найти, изучить и оценить в инженерно-геологическом отноше-
нии выходы пластовых интрузий (траппов) как наиболее надеж-
ного основания подпорных сооружений. В этих районах встрети-
145-
№Ра
1
282,0_о
2
329,0
ЧОО
Перепадные ГЭС
к2-к, Б
R.+N, 5
черное
море
ингури
-ГЭС
J2I
Водохра-
нилище
Ингури ГЭС,
станционный узел
Рис. 5.1. А — схема размещения каскада плотин и водохранилищ на р. Ингури
и отводном канале (по материалам Гидропроекта и Технопромэкспорта),
1 — плотины ГЭС: а — существующие, б — строящиеся: в — проектируемые1,
2 — туннели (а) и каналы (б) деривационные; 3 — водохранилища: а — су-
ществующие, б — проектируемые; 4 — четвертичный песчано-галечииковый ал-
лювиальный комплекс; 5 — конгломераты плиоцена, глниы литифнцированные
олигоцена — ннжнего сармата, глинисто-мергелнсто-карбонатный комплекс па-
леоцена н эоцена; 6 — известняки и доломиты верхнего и ннжнего мела; 7 —
глины красные верхнеюрскне; 8 — вулканогенно-осадочный комплекс средней
юры; 9 — сланцы глинистые ннжнеюрскне; 10 — осадочно-метаморфический
комплекс нижнего карбона; 11 — тектонические разломы.
Б — разрез арочной плотины Ингурн ГЭС:
1 — периметральный шов; 2 — постоянные водосбросные отверстия; 3 — пуско-
вой горизонт первой очереди; 4 — бычки прислонного затвора; 5 — донные
отверстия
лись со сложностями, такими, как отседающие массивы (началь-
ная стадия крупных оползней выдавливания) на бортах долины
НГЫ
3 414,0
в песчаниках и карбонатных породах, тектонические зоны, значи-
тельная выветрелость, своеобразный режим подземных вод, уров-
ни которых почти синхронно, с небольшим запаздыванием, повто-
ряют колебания горизонта Ангары (участок Богучанской ГЭС)
и др.
Размещение плотины на Бархатовском створе в пределах силь-
146
147
но закарстованных и, следовательно, водопроницаемых извест-
няков среднего кембрия (коэффициент фильтрации до 3000 м/сут
был определен по данным режимных наблюдений) было откло-
нено из-за больших трудностей борьбы с фильтрацией. Часть
долины Ангары, где прорезаются красноцветные породы кембрия
с гипсами, также была исключена для размещения в ней плотин.
При проектировании гидроузлов и водохранилищ в долине
р. Енисея (Среднеенисейская ГЭС) ниже устья р. Ангары и в ее
нижней части (до створа Богучанской ГЭС) возникли сложности,
обусловленные недостаточным и несвоевременным изучением гео-
логического строения и месторождений полезных ископаемых
в зонах затопления. В районе устья Ангары после составления
Схемы Ангаро-Енисейского каскада ГЭС было обнаружено пер-
спективное Горевское полиметаллическое месторождение, из-за
которого пришлось прорабатывать несколько новых вариантов
расположения плотин, обходного канала, уточнять отметки НПУ
Среднеенисейской ГЭС и защитные мероприятия. В подобных слу-
чаях многие вопросы геологического обоснования Схемы разме-
щения гидроузлов требуют более детальных и всесторонних иссле-
дований, чем в традиционно сложившейся практике изысканий.
Этот пример показывает, что не должно быть стандартного под-
хода к инженерно-геологическим изысканиям.
Изучение древних глубоких речных переуглублений, их строе-
ния, пространственного положения и других особенностей, широко
распространенных в бассейнах Волги, Камы, Белой, Днепра, Вы-
тегры, представляет одну из главных задач изысканий на стадиях
Схемы и ТЭО проектирования гидроузлов. Наглядным примером
является проектирование Куйбышевской и Нижнекамской плотин
и ГЭС (см. рис. 2.7 в книге Г. С. Золотарева «Инженерная гео-
динамика», 1983), которое потребовало длительных и больших
объемов изысканий для окончательного выбора мест для соору-
жений. Размещение плотин на ингрессионных плиоценовых отло-
жениях погребенных долин имеет преимущество в отношении
предотвращения фильтрации, но опасно значительной деформа-
цией основания. Плотины и здания Куйбышевской ГЭС построены
на плиоценовых глинах; переуглубления на участках Павловской
ГЭС на р. Белой и Нижнекамской оказывают положительный
противофильтрационный эффект.
Изыскания иа стадии ТЭО. Ответственность и детальность
проектных решений и обосновывающих их инженерно-геологичес-
ких данных определяются принципиальным выбором в ТЭО места
(створа) плотины, ее типа, общей компоновки сооружений гидро-
узла, наземного или подземного расположения здания ГЭС, шлю-
за или судоподъемника, отметок НПУ водохранилища, а также
ориентировочной стоимости строительства гидроузла без вненор-
мативного увеличения в дальнейшем. Прорабатываются вопросы
экологических последствий и варианты защитных мероприятий,
которые также требуют геологического обоснования. В обеспече-
нии этих требований заключается одна из сторон существенной
148
перестройки изысканий, их ускорения и эффективности. Более
обоснованные инженерно-геологические материалы, детальность
ТЭО и вариантные решения значительно уменьшат объемы работ,
предотвратят от ошибок и дадут значительный экономический
эффект при дальнейших изысканиях и строительстве.
На стадии Схемы по совокупности геологических, гидрогеоло-
гических, геоморфологических и инженерно-геологических призна-
ков проведенное районирование речной долины определяет рай-
оны, наиболее благоприятные для создания в них плотин, ГЭС и
водохранилищ по проектно-экономическим и рациональные по
экологическим соображениям; в этих районах проводятся даль-
нейшие изыскания на стадии ТЭО.
Основные задачи и вопросы инженерно-геологических изыска-
ний для ТЭО сохраняются; существенно изменяются детальность
и методы работ. Изучение стратиграфии, складчатых и разрыв-
ных тектонических структур, состава и фациальной изменчивости
массивов пород, их механических и фильтрационных свойств, всех
видов трещиноватости, подземных вод и их режима, геологичес-
ких процессов и состояния территории ведется методами инженер-
но-геологического картирования в масштабе 1 : 25 000—1 : 5000
в зависимости от сложности района. Все виды разведочных ра-
бот, режимные наблюдения, фильтрационные и геомеханические
натурные опыты проводятся в ограниченном объеме; лаборатор-
ные эксперименты дополняют съемочные работы и предназначены
для решения отдельных вопросов, предусмотренных целенаправ-
ленной программой изысканий. Общие рецепты о видах, количест-
ве изыскательских работ нецелесообразны для разных геологиче-
ских сред и для всех сооружений гидроузла; должно быть пони-
мание задач исследований, владение методикой их проведения и
ответственность за результаты.
Материалы инженерно-геологических изысканий на стадии
ТЭО должны быть достаточными и качественными для обоснова-
ния вариантов проектных решений, но при этом обязателен прин-
цип минимума объемов работ. Учитывая региональные геологи-
ческие данные, полученные на стадии Схемы, в районах перво-
очередных гидроузлов проводятся изыскания для ТЭО, начиная
их с инженерно-геологического целенаправленного картирования
применительно к видам и вероятному размещению сооружений,
к особенностям геологической среды. Разведочные — горные, бу-
ровые и геофизические — работы проводятся в двух направле-
ниях: одно сочетается с задачами картирования, другое — с изу-
чением геологического строения, подземных вод и процессов на
вариантных створах плотин, вероятных участках расположения
ГЭС, деривации и других сооружений в целях выбора наилуч-
шего.
В разведочных выработках ведутся детальная геологическая
документация по кернам, фотометодами и геофизический каро-
таж, изучаются сейсмоскоростные показатели пород (ир и vs), ве-
дутся гидравлическое и гидрохимическое опробования методами
149
A
Рис. 5.2
поинтервальных откачек и нагнетаний, режимные наблюдения за
подземными водами и другие работы. Из типичных пачек, слоев,
контактов, частей массива и зон нарушений отбираются монолиты
для лабораторного изучения состава и физико-механических
свойств основных разностей пород (см. рис. 3.1; 3.2; 3.4). Указан-
ные работы имеют своим назначением расчленение массива
(толщи) пород на литологические пачки и более дробные элемен-
ты, включая зоны контактов и тектонических нарушений, с целью
охарактеризовать их свойства и состояния, составить обобщен-
ный инженерно-геологический разрез с выделением массивов раз-
ных уровней и элементов как основу для специализированной ин-
женерно-геологической классификации пород района. При харак-
теристике состояния и прочности пород следует использовать дан-
ные съемочных наблюдений о выветриваемости, трещиноватости,
осыпании, размываемости и устойчивости пород в откосах.
Опытными работами, проводимыми в ограниченном объеме,
предварительно оцениваются фильтрационные показатели, дефор-
мируемость, прочность и суффозионная устойчивость основных
литологических пачек пород, зон разломов и трещин. Выявляются
коррелятивные зависимости между величинами: удельных водо-
поглощений, расходов при откачках, vp, трещиноватости по фото-
документации и описанию кернов, показателей лабораторных ис-
пытаний прочности и деформируемости типичных пород. Для об-
работки разнохарактерных данных применяются методы матема-
тической статистики.
Рекомендовать количество и глубины разведочных выработок,
геофизических точек, опытов, виды и объемы лабораторных экспе-
риментов раздельно для арочной, гравитационной и каменно-зем-
ляных плотин, наземных или подземных ГЭС было бы методичес-
ки трудно в учебнике. В программах комплексных изысканий по
конкретным объектам они даются приближенно, периодически
уточняются в зависимости от первоначальных результатов изыс-
каний и проектных проработок. Важно, чтобы по всем основным
вопросам проектирования были бы достоверные инженерно-гео-
логические данные и чтобы принципиальные решения принима-
лись совместно главным инженером и главным геологом проекта.
В качестве иллюстрации по методике изысканий для гидроуз-
лов на крупной реке можно привести опыт изысканий института
Рис 5.2. Геологическая схема и разрезы долины р. Енисеи в районе Санно-Шу-
шенской ГЭС (по материалам Ленгидропроекта, Бадухин и др., 1972; МГУ).
Д — карта-схема. Разрезы: Б — Кибнкский, В — Карловский, Г — Джойский.
1 — кембрнй, чингинская серия (сланцы); 2 — протерозой, джебашская серия
(метаморфические сланцы с линзами мраморов); 3 — джойский нижне-средне-
девонский интрузивный комплекс (порфировидные биотитовые -граниты); 4 —
майиский иижне-средиекембрийский интрузивный комплекс (диориты); 5 — бо-
русский нижне-среднекембрнйскнй интрузивный комплекс (перидотиты, дуниты,
серпентиниты); 6 — крупные тектонические нарушения: I — Каидатский раз-
лом, II — Борусский разлом; 7 — тектонические трещины; 8 — скважины, циф-
ры — удельное водопоглощение, л/мин; 9 — плотины: а — построенные, б —•
строящиеся
152
Ленгидропроект на стадии ТЭО для Саяно-Шушенской ГЭС.
Три отрезка долины р. Енисея, где по проектным и водохозяй-
ственным соображениям Схемы возможно создание плотины вы-
сотой 200—250 м, сложены разными комплексами пород и обла-
дают различной геоморфологией (рис. 5.2). Один из участков —
Кибикский, нижний по течению, где преобладают протерозойские
метаморфические глинистые сланцы, выветривающиеся и трещи-
новатые; участок характеризуется относительно замедленными
поднятиями, что в совокупности с особенностями пород обусло-
вило широкую долину (рис. 5.2, Б).
Существовало традиционное мнение, что для бетонных плотин
наилучшим основанием являются гранитные массивы; их выявля-
ли при изысканиях, в частности, для Красноярской и Саянской
ГЭС. Вторым участком, верхним по течению, был Джойский ин-
трузив среднедевонских крупнокристаллических гранитов
(рис. 5.2,Г), интенсивно выветривающихся, трещиноватых и с чет-
ко выраженными разломами, по которым глубоко проникли экзо-
генные процессы разрушения. Несмотря на узкий профиль доли-
ны, створ в гранитах был отклонен из-за тектонической нарушен^
ностн и наличия трещинной зоны выветривания.
Предпочтение было отдано Кардовскому участку, на котором
глинистые сланцы подверглись ороговикованию при внедрении
гранитного интрузива, трещины были залечены кварцем, сформи-
ровались дайки порфиритов и массив сланцев в целом был упро-
чен, хотя н обладал различной деформированностью. Кардовский
массив наиболее интенсивно поднимался в новейшее время, доли-
на наименьшей ширины, склоны крутые с единичными небольши-
ми обвалами; требовалось установить: имеются ли по тектониче-1
ским разрывам, зонам и крупному Кардовскому разлому диффе-
ренцированные «подвижки. Изучение трещиноватости ороговико-
ванных сланцев Кардовского створа для учета ее влияния на
сдвиговые и деформационные характеристики пород проводилось
при картировании всего района в масштабе 1 :25 000 и на участке
створа в масштабе 1 : 5000, а также каротажем и гидравлически^
опробованием в скважинах, в том числе наклонных, пересекаю-
щих вертикальные зоны и дайки. Для получения более достовер-
ных показателей механических свойств и увязки их с трещинова-
тостью выполнено несколько штамповых испытаний в характер-
ных частях массива сланцев; эти исследования показали пелесо-1
образность укрепительной цементации для придания большей од-
нородности массивам пород.
Изыскания на стадии Проекта и рабочей документации. Основ-*
ное внимание при изысканиях на стадии Проекта сосредоточи-;
вается на выбранных участках размещения плотины и других со-
оружений гидроузла. В зависимости от типа плотины и ее высоты,
определяющих величины и характер воздействия на породы осно-
вания и бортов долины, а также от особенностей геологического
строения приводятся картировочные, разведочные (буровые, гор-
ные, геофизические) работы, опытные фильтрационные, геомеха-
153
нические и другие исследования. Ставится задача детального рас-
членения разреза на литологические виды и инженерно-геологиче-
ские разновидности, выделения всех прослоев, контактов, зон,
трещин и иных элементов с пониженной прочностью, с более вы-
А
Рис. 5.3. Графики роста нагрузок на породы основания и осадка бетонной пло-
тины Братской ГЭС (по Р. Р. Тизделю, 1970):
А — разрез по руслу р. Ангары; Б — кривые нагрузок и осадки плотины по
секциям (указаны номерами).
Цифры в кружках- 1 — диабазы с вертикальными трещинами; 2 — алевролиты
и песчаники ордовика, 3 — древний аллювий — галечники и пески, 4 — кривая
осадки
154
сокой деформируемостью и водопроницаемостью, с суффозионной
неустойчивостью в сфере влияния сооружения и фильтрационного
потока.
Каждый элемент массива пород в основании сооружений дол-
жен получить характеристики с точностью расчетных значений ос-
новных физико-механических и фильтрационных свойств на осно-
ве обобщения данных детального картирования, разведки, опробо-
вания, натурных опытных и лабораторных работ. В целях боль-
шей целенаправленности исследований и сокращения объемов ра-
бот допустимо разные части и элементы массива изучать с раз-
личной детальностью в зависимости от их взаимодействия с со-
оружениями. Одни элементы и массивы полностью воспринимают
воздействие сооружения, а другие, например отдельные пачки по-
род или трещины, в зависимости от пространственного залегания
«не работают» и не определяют устойчивость плотины. Опыт де-
тальных наблюдений при строительстве и эксплуатации плотин
Ингури ГЭС, Братской ГЭС и других показал, что среди несколь-
ких систем трещин или литологических пачек пород обычно вы-
деляются только некоторые, наиболее интенсивно «работающие»,
обусловливающие фильтрационные потоки и деформацию пород
основания.
На породы основания воздействует масса плотины и водохра-
нилища,. что подтверждается наблюдениями на Братской плотине
(рис. 5.3,Л и Б), эпюры осадки которой представляют несиммет-
ричную вогнутую кривую с максимумом в 71,8 мм примерно в се^
редине. Отмечаются возрастание осадок секций плотины в связи
с наполнением водохранилища и прогиб кровли диабазов, рас-
пространившийся на 2—3 км в стороны. В нижнем бьефе, в 350 м
от плотины, осадка составила 9,5 мм по данным нивелировки ре-
перов. Указанные деформации вызвали разрыв цементационной
завесы, раскрытие контактного шва и трещин в основании под
верховыми частями бетонных секций и возрастание напоров в не-
которых пьезометрах, расположенных ниже завесы.
Искусство исследователя заключается в том, чтобы, опираясь
на данные комплексных работ, выявить главные деформирую-
щиеся элементы массива, дать прогноз процессам и тем самым
определить систему укрепительных и защитных мероприятий.
Соблюдение принципа минимума изысканий при условии полу-
чения информации, достаточной для проектирования, важно для
снижения стоимости работ на стадии Проекта, когда объемы их
значительны. Например, натурные геомеханические и фильтраци-
онные исследования сложны и требуют больших затрат, поэтому
их проведение должно быть минимальным и обусловлено необхо-
димостью получения достоверных показателей массива пород. Но
если результаты опытов, выполненных на стадии ТЭО и подтвер-
ждены в дальнейшем ограниченными экспериментами, а данные
разведки не выявили большой неоднородности массива и показа-
ли, что величины модулей деформации, сопротивления сдвигу;
коэффициента фильтрации и других показателей пород обосновы-
155
вают расчеты устойчивости сооружения, имеют существенный «за-
пас», что их значения не могут быть ниже допустимых, то разум-
но ограничиться малыми объемами исследований.
Значительный экономический эффект от сокращения объемов
бурения и глубоких горных выработок может быть достигнут ра-
циональной последовательностью их выполнения в сочетании с
геологическим картированием и геофизический разведкой. Необ-
ходимо определить критерии размещения и целевого назначения
скважин, штолен и шахт; это могут быть структуры, зоны разло-
мов, характерные пачки пород, обводненные Зоны, кора выветри-
вания, геоморфологические элементы, закарстованность, оползни
и другие особенности геологической среды, расположение разве-
дочных выработок по «сетке» является признаком низкого науч-
ного уровня изысканий. Каждая скважина, опыт, лабораторный
эксперимент должны давать данные для отве'гов на поставленные
вопросы по инженерно-геологическому надежному обоснованию
проектных решений. Стремление к сокращению объемов изыска-
ний должно быть инженерно оправданным, нР он° недопустимо в
случаях сложных или опасных инженерно-геологических условий.
Все особенности, геологической среды в сферЗ взаимовлияния со-
оружений на рассматриваемой стадии должны быть детально
изучены, оценены и рекомендованы укрепительные, противофиль-
трационные и иные мероприятия.
Разнообразные полевые и лабораторно-модельные исследова-
ния на стадии Проекта и рабочей документации проводятся для
уточнения конструкции сооружений, обоснования производства
строительных работ — проходки котлованов, укрепления откосов
и склонов долины, водопонижения, выбора методов и технологии
инъекционных работ по упрочнению основания, предотвращению
фильтрации и гидродинамического давления. Как правило, на ти-
пичных участках выполняются крупномасштабные опыты, охва-
тывающие значительный объем пород, в цел^х определения мас-
штабного эффекта. По их результатам с учетом данных лабора-
торных экспериментов, гидравлического, геофизического и друго-
го опробования скважин и горных выработок определяются зоны
и части массива пород в основании плотин, требующие различной
степени укрепления, дренирования и последующих режимных на-
блюдений.
При возведении высоких плотин большое значение имеют во-
просы оценки устойчивости склонов, которые обычно являются
оползневыми и обвальными, явно или потенциально неустойчивы-
ми; иногда вблизи створов развиты селевые потоки. Известно, что
при строительстве и после создания подпора, как правило, акти-
визируются склоновые процессы. Характер й объемы оползней,
обвалов и селей могут быть различными — от отдельных глыб и
малых осовов в осыпях до сотен тысяч кубических метров и бо-
лее. Некоторое тредставление о характере процессов, их опасно-
сти и задачах инженерно-геологического и£Учения строения и
устойчивости высоких склонов дает фото обвала в слоистых тре-
156
щиноватых известняках объемом 600 м3, возникшего на верховом
откосе левобережного котлована Ингури ГЭС (рис 5 4)
В задачи изысканий входят изучение строения (породи и их
залегание, трещиноватость, выветрелость, обводненность и др),
Рис 5 4 Обвал объемом 600 м’ на откосе левобережного котлована арочной
тотины Инг>ри ГЭС в с юистых выветрелых известняках
157
истории формирования склонов, современной общей и локальной
устойчивости и прогноз ее изменения при строительстве и экс-
плуатации сооружения. Осуществляется детальное геологическое
картирование в масштабе 1: 1000—1:500 на основе аэро- и фото-1
теодолитных снимков, применяются различные разведочные рач
боты, режимные наблюдения за обводненностью массива и со-
стоянием склона, за появлением трещин, деформаций, обрушений
и т. д. Сопротивление сдвигу трещиноватых и выветрелых пород,
наименее устойчивых, определяется методом «обратных расчетов»
на участках недавних смещений, выявленных при детальном кар-
тировании и на монолитах по контактам ослабления и трещинам
с учетом степени сезонного увлажнения. Одновременно рассмат-
ривают вопросы глубины врезок (съем непрочных пород) в осно-
вании и в примыканиях плотины, учитывая, что инъекционные
работы должны проводиться под нагрузкой от сооружения, иначе
Рис 5.5. Схематический инженерно-геологический разрез по оси плотины на
р Ангаре
Аллювиальные галечники, пески, суглинки. 1 — поймы, русла и низких террас;
2 — 6-й и 7-й террас р. Ангары; 3 — делювиальные суглинки с редким щебнем.
Ордовикские отложения: 4 — переслаивание песчаников и алевролитов; 5 —
глинисто-карбонатная пачка — мергели известняковистые; 6 — карбонатно-тер-
ригенная пачка —• чередование алевролитов, мергелей с прослоями известняков
и песчаников; 7 — глинисто-карбоиатная пачка — известняки, алевролиты, пес-
чаники; 8 — терригенная пачка — песчаники, алевролиты; 9 — терригенно-кар-
бонатная пачка — известняки, песчаники, алевролиты; 10 — терригенная
158
будут выпор и вывалы пород; анкерное крепление неустойчивых
частей массива требует тщательного изучения трещиноватости,
зон выветривания и выбора блоков, в которых анкера могут быть
эффективно установлены.
В проектах плотин и ГЭС обязательно предусматриваются ин-
женерные мероприятия по стабилизации склонов с учетом влия-
ния фильтрационных потоков и подпора 'подземных вод как на
участках непосредственного примыкания плотины, так и в приле-
гающих частях со стороны верхнего и нижнего бьефов.
В практике изысканий встречаются случаи, когда из-за не-
устойчивости оползневых склонов, недостаточной изученности
строения, распространения и геомеханических свойств пород зон
выветривания на стадии Проекта был изменен тип плотины с бе-
тонного на каменно-набросный или возникали трудности с разме-
щением бетонной плотины и других сооружений. Например, для
стабилизации потенциально неустойчивого правобережного ополз-
втм.м
1-300
пачка — песчаники, алевролиты; 11 — терригенно-карбонатиая пачка —
переслаивание известняков, алевролитов с прослоями мергелей. Кембрий-
ские отложении: 12 — илеинскаи свита — переслаивание песчаников,
известняков, мергелей; 13 — верхиеленскаи свита — алевролиты, известняки.
Триасовые интрузивные породы: 14 — долериты, габбро-долериты; 15 — зоны:
повышенной тектонической трещиноватости (а) и разрывов (б); 16 — подошва
зоны выветривании: а — сильного, б — среднего; 17 — уровень подземных вод;
18 — удельное водопоглощеиие, л/мии; 19 — коэффициент фильтрации, м/сут,
по данным откачек дли интервала; 20 — трещина, расширеинаи выветриванием,
и просадки глии — вероитиая поверхность оползневого смещении
(в знаках 4—11 Qi следует заменить на Oi)
159
невого склона р. Ангары на участке Богучанской ГЭС была реко-
мендована каменно-земляная плотина увеличенного объема, рас-
сматриваемая как своеобразный контрбанкет (рис. 5.5). Исследо-
вания по изучению основания плотины, выполненные на стадии
ТЭО и состоящие из ограниченного количества вертикальных
скважин и геофизической разведки, оказались недостаточными
для оценки надежности пород зон выветривания, выбора места
для водосливной плотины, обоснования укрепительных мероприя-
тий. На стадии Проекта потребовались дополнительные значи-
тельные разведочные, опытные и другие работы.
Изыскания для шлюзов и судоподъемников. Решение проблем
судоходства на реках и каналах требует наряду с ГЭС строи-
тельства шлюзов или судоподъемников, в зависимости от разно-
сти уровней верхнего и нижнего бьефов гидроузла. Инженерно-
геологические изыскания для указанных сооружений обычно ве-
дутся на стадии ТЭО и Проекта, а также при их строительстве и
эксплуатации. На судоходных каналах (Волго-Донском, Волго-
Балтийском, у Братиславы в ЧСФР и др.) и при гидроузлах на
реках равнин (Волге, Каме, Днепре и др.) создаются одно- и
двухкамерные шлюзы, чаще располагаемые на террасах или по-
логих склонах. Судоподъемники при высоких плотинах являются
сложными сооружениями, и пока один из них построен только на
Красноярской ГЭС.
Основные задачи инженерно-геологических изысканий опреде-
ляются характером воздействия шлюза на геологическую среду
и заключаются в изучении:
— пород основания под камерой и особенно под опорами во-
рот шлюза для выбора оценки надежности несущей толщи;
— устойчивости откосов и бетонного крепления стен камеры
шлюза в условиях переменных уровней, когда в породах за стена-
ми возникают значительные гидродинамические давления;
— условий производства строительных работ — обеспечения
устойчивости откосов, обоснования водопонижения, когда в кот-
ловане шлюза вскрываются водоносные, нередко плывунные ал-
лювиальные глинисто-песчаные отложения, если шлюз разме-
щается на речных террасах или вскрываются разнородные тре-
щиноватые и выветрелые породы, как, например, древние грани-
ты в новом шлюзе ДнепроГЭС-2.
Инженерно-геологические изыскания в малых объемах на ста-
дии ТЭО и в значительных на стадии Проекта в случаях, когда
шлюзы располагаются на четвертичных отложениях, состоят из
разведки буровыми скважинами и пенетрационно-каротажными
установками строения, плотности и деформационных свойств
грунтов. Для изучения водопроницаемости пород, условий созда-
ния и эффективности системы водопонижения, противофильтра-
ционных стенок и подушек вокруг будущего котлована и под ним
проводятся опытно-фильтрационные работы, преимущественно от-
качки из кустов и одиночных скважин с разными величинами
снижения уровня, вплоть до эксплуатационного.
160
Местоположение шлюзов обусловлено общей компоновкой со-
оружений гидроузла, и поэтому на стадии ТЭО возможны вари-
анты их размещения, что необходимо учесть в программе изыска-
ний. Характеристика физико-механических свойств грунтов на
первом этапе изысканий обычно дается на основе пенетрационно-
каротажных испытаний и лабораторных исследований. Расчетные
показатели плотности, деформируемости, прочности и другие
свойств грунтов на стадии Проекта, когда выбрана площадка для
шлюзов, определяются в сфере влияния сооружения на основе
как указанных исследований, так и дополнительных штамтвых
испытаний в количестве, достаточном для статистической обра-
ботки. Объем опытно-фильтрационных работ на стадии Проекта
существенно возрастает.
Если шлюз врезается в осадочные или изверженные породы,
как, например, на ДнепроГЭС-2, то в задачи изысканий включа-
ются вопросы оценки трещиноватости, выветрелости и водопрони-
цаемости пород, прочности, деформируемости, устойчивости в
откосах и возможности укрепления. Проходка котлована и возве-
дение глубокого нового шлюза ДнепроГЭС-2 происходили в
сложных условиях. Архейские граниты нарушены многочислен-
ными тектоническими трещинами и зонами разрывов, неравно-
мерно- и глубоковыветрелые, значительно обводнены за счет
фильтрационных потоков из водохранилища и техногенных вод
города. Откосы котлована деформировались за счет осыпания,
обрушения глыб и осовов выветрелых гранитов, имели место
подвижки блоков пород из-за разгрузки напряжений. Поэтому
при строительстве возникла необходимость значительного рас-
крытия котлована, создания нескольких ярусов, повсеместного
анкерования массива, проложения за стенками шлюза дренажей
для перехвата фильтрационных потоков в трещиноватом массиве
и снятия гидродинамического давления, образующегося при пере-
менных уровнях в камере. При изысканиях для обоснования про-
екта шлюза вопросы не были изучены, что привело к осложне-
ниям при строительстве и дополнительным исследованиям. Учиты-
вая опыт изысканий и проектирования шлюза ДнепроГЭС-2, не-
обходимо как на стадии ТЭО, так и особенно на стадии Проекта
предусматривать специальное бурение, горные выработки, сей-
сморазведочные и другие работы по изучению трещиноватости,
выветрелости, обводненности, прочности и деформируемости мас-
сива пород и его частей при вскрытии глубокими выемками.
Возведение плотин и других сооружений гидроузла в особых
условиях. Согласно СНиПу 2.06.85 при проектировании бетонных
и других плотин, размещаемых в районах высокой сейсмичности,
распространения многолетнемерзлых толщ, крупных оползней,
селевых потоков, просадочных лёссов и закарстованных легкорас-
творимых пород, надлежит учитывать дополнительные требова-
ния, предусмотренные особыми нормативными документами, а
при их отсутствии — специально разработанными временными ин-
струкциями. Соответственно увеличиваются требования к инже-
161
нерно-геологическому обоснованию, расширяются и усложняются
изыскания, что должно быть предусмотрено в программах работ
на всех стадиях.
Освоение северо-восточных областей страны стимулировало
проектирование и строительство плотин и ГЭС на реках Вилюе,
Колыме, Курейке, Нижней Тунгуске, Хантайке и других в рай-
онах распространения многолетнемерзлых пород с особым состоя-
нием и свойствами, с негативными мерзлотно-геологическими
процессами, существенно изменяющимися под влиянием соору-
жений и производства работ.
Характерная особенность строения речных долин — наличие
подрусловых таликов, размеры которых и распределение темпе-
ратур обусловлены литологическими типами пород, их трещино-
ватостью, разгрузкой напорных вод и степенью отепляющего
влияния вод. Примеры строения долин и состояния интрузивных
и осадочных пород на участках плотин Колымской и Вилюйской
ГЭС приведены Н. Ф. Кривоноговой и А. М. Коганом (1978). При
создании гидроузлов и водохранилищ породы могут находиться в
четырех состояниях: постоянно мерзлом, оттаивающем, попере-
менно замерзающем и оттаивающем и талом, от которых зависят
их механические и фильтрационные свойства. Для оценки дефор-
мируемости и прочности мерзлотных толщ существенными явля-
ются типы их криогенного строения, особенности формирова-
ния— сингенетическое и эпигенетическое, наличие, 'размеры и ко-
личество включений льда (гнезда, прослои, по трещинам и т. п.).
Натурные и лабораторные эксперименты показали значительные
изменения прочности и деформируемости мерзлых пород при от-
таивании, влияние на их показатели криогенной структуры, ха-
рактера и степени льдистости. По данным Н. Ф. Кривоноговой и
А. М. Когана, прочность гранитов при оттаивании снижается в
2—4 раза, особенно за счет сцепления по трещинам, вида запол-
нителя, его состава и влажности; еще в большей мере уменьшает-1
ся прочность осадочных пород — мергелей и песчаников.
Изучение и оценка устойчивости откосов глубоких котлованов
и выемок, создаваемых в многолетнемерзлых породах, наряду с
геологическими факторами обусловлены специфическими особен-
ностями, которые определяются характером процессов оттаива-
ния и сезонного промерзания, общим изменением криогенного
строения и состояния массива при его вскрытии. Локальное вы-
таивание льда из трещин и линз приводит к прониканию в массив
поверхностных и надмерзлотных вод, к его общему неравномер-
ному снижению прочности и возможности деформаций и обруше-
ний. Разработка выемок в мерзлых породах взрывным способом
вызывает иное разрушение, чем в талых, что требует изменения
методов расчета и детальных натурных наблюдений при произ-
водстве работ. Наличие в массивах пород льда в различных ви-
дах, количестве и форме залегания, геомеханические и фильтра-
ционные свойства пород при воздействии строительных работ и
сооружения определяют необходимость мерзлотного прогноза,
162
особые требования и методику инженерно-мерзлотно-геологиче-
ских исследований, рассмотрение которой является предметом от-
дельного курса.
Строительство гидроузлов на сильно закарстованных карбо-
натных породах и особенно на легкорастворимых гипсосодержа-
щих толщах, в которых процессы выщелачивания и карста про-
исходят интенсивно, является особым, сложным случаем. Инже-
нерно-геологические и гидрогеологические изыскания в таких рай-
онах имеют специфические задачи и методику выполнения. При
возведении плотин на закарстованных массивах во многих стра-
нах возникли трудности и непредвиденные дополнительные затра-
ты, вызванные главным образом недостаточной инженерно-геоло-
гической изученностью объектов. Тем не менее изыскания и
строительство плотин в карстовых районах продолжаются во
всем мире. В частности, обстоятельные комплексные инженерно-
геологические исследования были выполнены для гидроузла Ха-
дита на р. Евфрате в Ираке (Кондратьев, 1979). Створ плотины
на р. Евфрате с напором 50 м расположен на крыле прогиба с
падением пород на юго-восток под углом до 1,5°; в 70 км к югу
от него имеются крупные тектонические нарушения с выходами
высокотемпературных вод, сероводорода и битума. Район створа
сложен четырьмя карбонатными свитами — различными доломи-
тами и известняками, в малой степени литифицированными, с
прослоями и гнездами брекчий и глин, относимых к верхнему-
среднему олигоцену, нижнему и среднему миоцену; разрез завер-
шается пачкой гипсов и мергелей нижнего фарса (средний мио-
цен). Породы трещиноватые и содержат пластово-трещинные во-
ды, разделяемые относительно водоупорными пластами — пачка-
ми мергелей и глинистых известняков. Разгрузка подземных вод
происходит в реку в виде родников с расходами 18—27 л/с, ино-
гда до 1700 л/с, приуроченных к устьям больших балок (вади), к
зонам повышенной трещиноватости и закарстованности.
Карбонатные породы в районе гидроузла неравномерно и зна-
чительно закарстованы, с большим количеством (около 120) во-
ронок, полостей и каналов преимущественно в слое брекчий верх-
него олигоцена и в доломитах нижнего миоцена. Детальная раз-
ведка (сотни скважин, опытные работы и режимные наблюдения)
выявили различную закарстованность выше и ниже створа пло-
тины, обусловленную неодинаковым высотным залеганием и паде-
нием вниз по реке вышеназванной толщи брекчий и доломитов.
Слой брекчий в районе выше створа находился в верхнем и сред-
нем плейстоцене на 20 и 50 м ниже эрозионных врезов того вре-
мени, и не было условий для развития карста, в то время как
ниже по реке он залегал в зоне интенсивного водообмена. Более
активные процессы карста, сопровождаемые механическим раз-
мывом глинисто-мергелистых линз и гнезд, происходили в голо-
цене. Таким образом, анализ истории формирования долины Ев-
фрата позволил сделать практически важный вывод о разной за-
карстованности толщ и обосновать выбор створа плотины.
163
Наличие в известняках и доломитах гнезд и линз глин могло
иметь резко отрицательное значение, если бы они были бы вто-
ричными и выполняли ранее образованные пустоты. Специальные
литолого-фациальные исследования показали их сингенетичность
карбонатным толщам, что является положительным фактором й
отношении фильтрационных явлений в основании и примыкании
плотины, но эти глины создают неоднородность по деформацион-
ным показателям. В проекте были предусмотрены двух- и трех-
рядные противофильтрационные завесы под основанием плотины
и в правом борту с инъекционными скважинами в объеме около
975 тыс. пог. м, а также опытное наполнение водохранилища с
обширной сетью пьезометрических наблюдений за формирова-
нием фильтрационных потоков. Высота плотины и подпорный уро-
вень определялись положением подошвы гипсосодержащей толщи
нижнего фарса на левобережье.
В сложных инженерно-геологических и гидрогеологических ус-
ловиях в разных странах построены высокие плотины на закар-
стованных карбонатных породах. На участке 167-метровой плоти-
ны Кебан (Турция) в пределах НПУ имелись крупные пещеры
объемами 104 и 70 тыс. м3; потребовались дополнительное созда-
ние протяженной бетонной диафрагмы и цементационной завесы,
перемещение здания ГЭС, так как фильтрационные расходы со-
ставляли 26 м3/с. Строительство задержалось на несколько лет, а
дополнительные затраты на инженерную защиту составили около
40% от стоимости гидроузла. 100-метровая арочная плотина До-
кан (Ирак) опирается на два мыса, сложенные сильно закарсто-
ванными известняками; протяженность право- и левобережной
противофильтрационных завес во много раз превышает длину
плотины, и периодически, каждые 10—15 лет, необходимо прово-
дить на защитных завесах инъекционные восстановительные ра-
боты. Плотина Каналес в Испании, западнее Барселоны, имеет
высоту около 150 м; после ее постройки возникла фильтрация
объемом до 8 м3/с при расходе реки 30 м3/с. Противофильтраци-
онные мероприятия состояли из трех галерей длиной до 200 м на
отметках 380, 450 и 510 м (урез реки на 360 м), из которых соз-
давались противофильтрационные завесы на значительные глу-
бины. Расходы цементного раствора в каждую инъекционную
скважину были в верху массива 0,406 и ниже 0,23 т/пог. м; всего
было затрачено свыше 6000 т цемента.
Строительство плотин на закарстованных породах в СССР
происходило в целом успешно (примеры — Павловская ГЭС на
р. Белой, Камская у г. Перми, Байпазинская на р. Вахше и Пля-
винская ГЭС на р. Западной Двине). Сложные условия и закар-
стованность на участках Бархатовской ГЭС на р. Ангаре и По-
нишской ГЭС на р. Чусовой были своевременно выявлены, и про-
ектирование остановлено. Высокие бетонные плотины — Ингур-
ская на р. Ингури, Чиркейская на р. Сулаке (Кавказ) и Токто-
гульская на р. Нарыне в Киргизии — построены на известняках,
претерпевших значительную литификацию и поэтому относитель-
164
но малокарстующихся. Массивы известняков находятся в зонах
интенсивных верхнеплейстоцено-голоценовых поднятий и глубоких
речных врезов, что обусловило их в целом малую закарстован-
ность; эрозионные врезы были такими интенсивными, что за ними
«не поспевали» карстовые процессы.
§ 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГАЭС
Гидроаккумуляторные электростанции предназначены для обес-
печения энергией при пиковых нагрузках, когда АЭС и ТЭС, ра-
ботающие на стационарных режимах, не в состоянии ликвидирои
вать дефицит. ГАЭС широко эксплуатируются во многих странах
мира; в СССР осуществляется программа их строительства на
Украине, Урале, Кавказе, в Центральных и Ленинградской обл.
Для ГАЭС выбираются отрезки речных долин с высокими и
крутыми склонами, которые обычно обладают более сложными
инженерно-геологическими условиями, являясь участками глубо-
корасчлененного рельефа, интенсивных неотектонических подня-
тий, эрозионных размывов, развития древних и современных
оползней, обвалов, карста и других геологических процессов. На
основе имеющегося отечественного и зарубежного опыта, учиты-
вая выполненные и предстоящие изыскания, с позиций методики
и задач исследований целесообразно следующее объединение ин-
женерно-геологических условий создания ГАЭС в областях:
— ледниковой аккумуляции, со своеобразным геологическим
строением, сложной историей формирования древних погребен-
ных и современных долин, оползней и т. п.; это строящиеся За-
горская и Кайшядорская, проектируемые — Центральная и Ле-
нинградская;
— с глубоковрезанными (150—200 м и более) речными доли-
нами, с крутыми, обычно подмываемыми склонами, которые сло-
жены преимущественно литифицированными терригенными (гли-
ны, алевролиты, песчаники, мергели), песчано-песчаниковыми и
глинисто-карбонатными слоистыми породами, с развитой систе-
мой тектонических трещин, нередко локальной складчатостью и с
оползнями; это проектируемые Днестровская, Дубосарская, Ка-
невская, Чебоксарская (Средневолжская-2), Краснополянская;
— распространения закарстованных карбонатных, иногда гип-
сосодержащих отложений, слагающих высокие (до 300—400 м)
склоны; это проектируемые Понышская на западном склоне Ура-
ла, Средневолжская в Жигулях, эксплуатируемая Черный Ваг в
Словакии (ЧСФР) и др.;
— распространения изверженных пород, дислоцированных
гранитов, неоднократно подвергавшихся дроблению и выветри-
ванию, с чехлом четвертичных образований; это Южно-Уральский
энергокомплекс, Пана-Ярвинская ГАЭС, Ипел в Словакии и др.
Методика инженерно-геологических исследований для обосно-
вания проектирования на разных стадиях и строительства ГАЭС
содержит задачи и методы работ как общие для всех условий и
165
районов, так и специальные, обусловленные конкретной геологи-
ческой обстановкой, составом и компоновкой сооружений. Мето-
дической особенностью изысканий для ГАЭС является тесное со-
четание инженеров-геологических и геофильтрационных вопросов.
Главные группы задач комплексных инженерно-геологических ис-
следований следующие:
1. Изучение общей и локальной устойчивости высоких склонов,
обычно обвально-оползневых, сложного строения и истории фор-
мирования в естественных и измененных условиях в периоды
строительства как на участках расположения основных сооруже-
ний, так и на прилегающих к верхнему водохранилищу. Устойчи-
вость склонов обусловлена напряженно-деформированным состоя-
нием и физико-механическими свойствами, изменениями во вре-
мени пород, главными факторами которых являются:
— возрастающая обводненность пород склона, чаще неравно-
мерная, вызывающая значительные изменения их прочности, воз-
никновение гидродинамического давления от нестационарных
фильтрационных 'потоков, нередко суффозия и выщелачивание
при фильтрации из верхнего водохранилища; воздействие филь-
трационных вод может быть существенным даже при малых их
объемах;
— создание различных выемок на склонах под трубопроводы,
автодороги и глубокого котлована для ГЭС в условиях изменен-
ного режима подземных, в том числе напорных, вод;
— способы ведения и продолжительность строительных работ;
— увеличение и перераспределение напряжений в породах
склонов от массы водозаборных бетонных сооружений и огради-
тельных дамб, расположенных на водораздельных поверхностях,
вблизи их бровок;
— сейсмическое воздействие и подвижность разрывных зон.
2. Изучение современной гидрогеологической обстановки и
прогноз фильтрации ((путей, расходов, градиентов) из верхнего
водохранилища в анизотропных и неоднородных по водопрони-
цаемости массивах пород. Кроме того, задачами гидрогеологиче-
ских исследований является обоснование: системы водопониже-
ния грунтовых и напорных вод для обеспечения проходки котло-
вана ГЭС и других строительных выемок на склоне; дренажных
мероприятий по перехвату неравномерных фильтрационных пото-
ков из верхнего водохранилища; эффективности его противофиль-
трационных покрытий откосов и дна.
3. Инженерно-геологическое обоснование: выбора наземного
или подземного размещения здания ГЭС и трубопроводов, их
параметров, способов проходки и крепления, а также инженер-
ных мероприятий по обеспечению временной и длительной устой-
чивости склонов на основе обобщения и анализа материалов
изысканий.
Задачи инженерно-геологических изысканий при подземном
расположении здания ГЭС и трубопроводов значительно увели-
чиваются; возникает необходимость изучения трещиноватости,
166
подземных вод, напряжений и геомеханических свойств пород в
глубине массива, прогноза горного давления и вывалов, водопри-
токов и других явлений; вопросы методики изысканий для под-
земных сооружений рассмотрены в главе VI учебника.
4. Изучение и оценка современной устойчивости склонов ниж-
него водохранилища, прогноз их переработки и обоснование за-
щитных мероприятий в условиях резко-нестационарного уровен-
ного режима и возникающих течений, в условиях интенсивного
выветривания пород в зоне сработки, гидродинамического давле-
ния и суффозии.
5. Натурное и экспериментальное изучение физико-механиче-
ских свойств и напряженно-деформированного состояния пород
склонов, которое должно основываться на учете особенностей гео-
логического строения склона, в первую очередь на выявлении
малопрочных прослоев и зон, контактов, различных трещин и
тектонических нарушений; на данных определения в натурных й
лабораторных условиях показателей прочности, деформируемо-
сти и ползучести пород с учетом дополнительного обводнения как
по ослабленным элементам, так и массива в целом или его части;
иа анализе величин и распределения величин естественных на-
пряжений, установленных экспериментальными и расчетными ме-
тодами.
6. Выявление геологических факторов, влияющих на измене-
ние экологической обстановки района ГАЭС с обоснованием мер
защиты окружающей среды.
Решение практически любой инженерно-геологической задачи
для ГАЭС требует целенаправленных и нестандартных натурных,
экспериментальных и аналитических, в том числе геофильтраци-
онных, исследований. Большое значение имеет рациональная ста-
дийность изысканий, на каждой из которых должны действовать
«рабочие гипотезы» о геологическом строении, подземных водах,
формировании и устойчивости склонов и других элементах геоло-
гической среды, совершенствуемые от стадии к стадии и позво-
ляющие поэтапно решать практические задачи проектирования.
Обязательно составление инженерно-геологических моделей, от-
ражающих среду и возникающие негативные процессы, необходи-
мых для выполнения расчетов и экспериментов по оценке устой-
чивости склонов, их укреплению и дренажным мероприятиям в
условиях воздействия неравномерного нестационарного фильтра-
ционного потока и при различных компоновках сооружений. Но-
визна проблемы изысканий и строительства ГАЭС требует перио-
дического рассмотрения материалов и проектных решений, соот-
ветствующей корректировки программы исследований.
Для общего представления о характере сооружений ГАЭС
данные по некоторым из них приведены в табл. 5.2.
Инженерно-геологические изыскания, как правило, проводятся
в несколько стадий, на которых основные вопросы геологической
среды рассматриваются и оцениваются с разной детальностью.
Разработана Генеральная схема размещения ГАЭС в европейской
167
Таблица 5.2
Характеристики некоторых ГАЭС на 1986 г.
Название ГАЭС, река Высота перепада уровней, м Объемы водохранилищ, млн м3 Тип ГАЭС Состоя иие Геологическое строение
верхи. иижн.
Загорская, р. Кунья Центральная, (Ржевская), р. Тудовка 104 100—120 22 22 22 45 наземный то же строитель- ство завер- шено проектиру- ется ледниковые отложения пестро- го состава, на меловых глинах и песках, напорные воды
Каншядорская, р. Неман 96 30 водохра- нилище Каунасской ГЭС то же строится ледниковые отложения, сено- манские алевриты, неоднород- ные, деформированные, напор- ные воды
Днестровская, р. Днестр 145 30 буферное водохрани- лище основ- ного гидроузла наземный; ГЭС в раздельных колод- цах: трубопрово- ды на опорах строится слоистые песчано-карбонатные пачки неогена и мела, проте- розойская терригенная толща
Каневская, р. Днепр 115 166 водохра- нилище Каневской ГЭС наземный, верхнее водохранилище создается плоти- ной в глубоких оврагах проектиру- ется третичные глнны н пескн; юр- ские глины, сложного складча- того залегания, оползни
Название ГАЭС, река Высота перепада уровней, м Объемы водохранилищ, мли м3
верхи НИЖИ
Камскополянская, р. Кама по 104 нижне- камское водо- хранилище
Черный Ваг, Словакия (ЧСФР) 430 3,7 3,7
Ипел, Словакия (ЧСФР) 360 16 16
Энкантада, р. Гуадал- хорс, Испания 300 1 создано иа р. Гуадалхорс
Продолжение табл 5.2
Тип ГАЭС Состояние Геологическое строение
наземный проектиру- ется пестроцветные верхнепермскне глнны, алевролиты, песчаники и мергели; обвально-осыпные склоны
подземный (рнс. 5 7) эксплуати- руется меловые известняки, сильно за- карстованные, дислоцирован- ные, разломы, обвально-осып- ные склоны
подземный (рнс 5.6) проектиру- ется граниты трещиноватые, по ре- ке крупный разлом; склоны осыпные, с делювием
вверху подземные, внизу наземные трубопроводы, здание ГЭС на 40 м ниже НПУ эксплуати- руется песчаники и сланцы, дислоци- рованные, трещиноватые
части СССР по регионам, исходя из дефицита электроэнергии в
«пиковые» периоды; геоморфологических условий и водных ре-
сурсов. Инженерно-геологическое обоснование Схемы представ-
лено в виде инженерно-геологических и других карт мелких мас-
штабов в зависимости от сложности природных условий, специ-
ально составленных по имеющимся фондовым и литературным
материалам, а также по данным маршрутного обследования в на-
меченных районах. В каждом из районов может быть несколько
конкурирующих участков размещения ГАЭС, которые целесооб-
разно закартировать в масштабе 1:25000—1:10000 и выполнить
разведку геофизическими методами.
Инженерно-геологическая характеристика районов возможно-
го расположения ГАЭС должна содержать: а) региональное опи-
сание строения, формирования и современного состояния склонов
с прогнозом оползней, обвалов и селевых потоков, в первую оче-
редь крупных и грандиозных, борьба трудна или нецелесообраз-
на; б) оценку сейсмичности и современной подвижности тектони-
ческих разломов; в) оценку степени закарстованности и интен-
сивности карстовых процессов; г) описание распространения и
строения погребенных речных долин. Эти особенности инженерно-
геологической обстановки могут быть прямыми противопоказа-
ниями при выборе района расположения 'водохранилищ и соору-
жений ГАЭС.
Изыскания на стадии ТЭО. Инженерно-геологические изыска^
ния на этой стадии предназначены для обоснования выбора наи-
более устойчивого участка долины с крутыми и высокими склона-
ми, для принципиального определения компоновки сооружений
ГАЭС (наземный или подземный вариант) и инженерных меро-
приятий по укреплению склонов. Выполняя инженерно-геологиче-
ское картирование, следует выявить, нередко среди почти сплош-
ного распространения оползней и осыпей, участки стабильные или
крупные межоползневые гребни и древние стабильные массивы
оползней, закарстованных пород, которые могут рассматриваться
как пригодные для размещения ГАЭС при условии проведений
укрепительных работ. Очень важно своевременно уберечь проек-
тантов от поспешных и необоснованных решений с выбором ме-
ста и типа ГАЭС. Картирование выполняется в масштабах 1 :
: 10 000—1: 5000, дополняется разведочным бурением, геофизиче-
скими исследованиями, изучением геомеханических и фильтраци-
онных свойств пород в целях составления ориентировочных оце-
нок и прогнозов устойчивости склонов, влияния на них фильтра-
ционных потоков из верхнего водохранилища.
При картировании одним из важных вопросов должно быть
изучение древних и новейших тектонических структур, их разви-
тия и истории формирования долины, с которыми связаны или к
которым приурочены зоны выветривания, оползни, закарстован-
ность и подземные воды. При проектировании Каневской ГАЭС
многократно обсуждался вопрос о природе складчатого залега-
ния Юрских глин; имеют место тектонические нарушения плат-
170
форменного типа или гляциодислокации, играющие существен!
ную роль для оценки устойчивости склонов. На бортах погребен-
ных плиоцен-четвертичных долин Волги, Камы, Днепра, Куньи,
Тудовки и других рек развиты древние оползни в разных ком-
плексах 'пород, различных типов и объемов, перекрытые аллюви-
альными, ледниковыми и другими плейстоцен-голоценовыми от-
ложениями, что важно для истории формирования и оценки об-
щей устойчивости современных склонов (Золотарев, 1982).
Велики значение фильтрации из верхнего водохранилища и
воздействие потока на устойчивость прилегающих склонов.
В каждом конкретном случае геологического строения действует
особая гидродинамическая модель фильтрационного потока. В от-
ложениях каждого района, где проектируются и строятся ГАЭС,
имеются несколько водоносных горизонтов — безнапорных и на-
порных, в различной степени гидравлически связанных или разоб-
щенных. На подобную, обычно пеструю Гидрогеологическую кар-
тину накладывается фильтрационный поток. Поэтому программа
натурных, модельных, режимных и аналитических гидрогеологи-
ческих исследований и изучения водопроницаемости пород на
стадиях ТЭО и особенно Проекта для получения достоверных ис-
ходных параметров и выбора методики 'Прогноза фильтрации с
оценкой ее значения для устойчивости окружающих водоем скло-
нов должна быть целенаправленной, а не стандартной. Формиро*
вание фильтрационного потока из верхнего водоема существенно
отличается от формирования подобных явлений на участках пло-
тин; следовательно, методика изучения и прогноза должна быть
иной.
На стадии ТЭО по данным гидрогеологических работ разраба-
тывается принципиальная предварительная прогнозная схема
фильтрационных потоков, необходимая для суждения об их влия-
нии на состояние склонов, о характере и ориентировочной стои-
мости противофильтрационных покрытий, завес, дренажей и про-
тивооползневых мероприятий. Эти задачи требуют выполнения
буровых, горных и геофизических разведочных работ, фильтраци-
онных опытов и режимных наблюдений за уровнями и родниками
подземных вод.
Палеозойский гранитный массив и склоны долины р. Ипел в
Словакии (ЧСФР), в котором проектируются сооружения ГАЭС,
являются интересным объектом для рассмотрения методики ин-
женерно-геологических изысканий (рис. 5.6). По материалам
А. Матечека, обработанным П. Вагнером (1985), русловая часть
долины р. Ипел приурочена к региональному разлому; склоны
крутизной 22—25° сформированы в массиве гранодиоритов, тре-
щиноватых и с оперяющими локальными разрывами; гранодио-
риты с поверхности выветрелы до 3—5 м, а по тектоническим зо-
нам глубже. На водораздельной поверхности, где создается верх-
нее водохранилище, в эрозионных понижениях развиты четвер-
тичные отложения, которые можно рассматривать как естествен-
ное противофильтрационное покрытие. Склоны осыпные, прикры-
171
7
14
СКЙ. ЮЙ
Рнс 5 6 Инженерно-геологическая схема (Л) н разрез (Б) участка ГАЭС на р Ипел, Чехословакии (по П Вагнеру,
1985 и А Матечеку)
1 — гранодиориты бнотнтовые палеозойские, интенсивно выветрелые с поверхности до глубины Э—5 м, 2 — мигматиты и
гранодиориты, 3 — разломы региональные с зонами дробления общей шириной до 600—1000 м, 4 — разрывы локальные и
их номера, 5 — тектонические трещины, крупные, разделяющие массив на блоки, 6 — зона милонитизации регионального раз-
лома Характеристика массива пород по классификации RMR, по сумме показателей в баллах (по 3 Т Биениавскому), 7 —
очень прочные («очень хорошая скала»)—80—100, 8—прочные («хорошая скала») — 61—80, 9 — средний проч-
ности («средний скала») — 41—60, 10 — малопрочные («плохая скала») — 21-—40, 11 — разрушенные («очень плохая ска-
ла») — 0—20, 12 — аллювиальные четвертичные отложения, слагающие террасы р Ипела, 13 — обвально осыпные отло-
жения — обломки и глыбы размерами до 1 м, 14 — делювиальные суглинки и осыпные обломочные массы мощностью
5—10 м; 15 — пролювиальные, образующие конус выноса, 16 — плотина земляная высотой 78 м, создающей нижнее во-
дохранилище, НПУ—513 м; 17 — проектируемые сооружения ГАЭС, а — трубопроводы, б — камера ГЭС, в — дамба
верхнего водохранилища, НПУ—872 м; 18 — линия разреза
9
ссз
м
6
/ 5
J------i------1-----1------1_____i_ i_______i_____i______I_____i------1-----1------1-----1-----1------1-----1------1-----1—
500 1000 1500 2000 M
Рис, 5.7. ГАЭС на p. Черном Ваге в Словакии, ЧСФР (по материалам В. Невицкого, в обработке П. Вагнера, 1985).
А — схема размещения сооружений; 1 — верхнее водохранилище, глубина 25 м; 2 — подземные напорные трубо-
проводы; 3 — ГЭС; 4 — нижнее водохранилище; 5 — водозаборное сооружение; 6 — дамба оградительная; 7 —
водоотводный канал
Б — схематический геологический разрез по трассе водоводов ГАЭС: 7а — дамбы верхнего водохранилища; 8 — изве-
стняки юрские; 9 — доломиты триаса; 10 — зона разлома, интенсивно закарстованные известняки и доломиты с
красно-бурой глиной, доломитовая брекчии; 11 — эпюры напряжений, измеренные в штольне
тые делювием и отдельными конусами выноса из местных овра-
гов, в связи с чем трещинные воды гранитов разгружаются в ал-
лювий реки подземным путем. Геологическое строение массива
таково, что после предварительного обследования и проработок
выявились преимущества подземного варианта ГАЭС, и поэтому
одним из главных вопросов изысканий было нахождение большо-
го блока гранитов, в котором можно разместить подземные каме-
ры для ГЭС, и определение современной стабильности или по-
движности тектонических разрывов. Поэтому, несмотря на труд-
ности проходки разведочной штольни длиной 1070 м и большие
глубины скважин, они были необходимы и позволяли охаракте-
ризовать тектоническую нарушенность массива, водопритоки из
трещин и зон, прочность и деформируемость пород по показате-
лям проходки, электроразведки и классификации RMR, а также
общее напряженное состояние пород.
Прогноз путей и объема фильтрации из верхнего водохрани-
лища достаточно сложный, требует пространственной интерпрета-
ции раздробленности и водопроницаемости массива по разным
трещинам и зонам. На стадии ТЭО можно ограничиться предва-
рительными оценками, имея в виду, что разгрузка фильтрацион-
ных потоков будет происходить локально, в обломочные массы
склоновых отложений, но дренажные и укрепительные мероприя-
тия необходимы; эти вопросы, а также уточнение потерь из верх-
него водохранилища можно решить при изысканиях и проработ-
ках на стадии Проекта. Естественно, что вслед за изысканиями
для ТЭО должны начаться наблюдения за подвижностью и водо-
обильностью основных тектонических линий, вскрытых штольней
и скважинами, чтобы при разработке проекта ГАЭС имелись бы
достоверные данные.
Изыскания на стадии Проекта и рабочей документации. Виды
и объемы инженерно-геологических работ, детальность проработ-
ки основных задач на стадии Проекта возрастают. В первую оче-
редь это относится к изучению строения и устойчивости склонов
на выбранном створе размещения трубопроводов и здания ГЭС;
к прогнозу фильтрационных явлений; к детальному обоснованию
типов несущих опор трубопровода при наземном варианте или вы-
бору мест для камер ГАЭС при подземном; к обоснованию спосо-
бов ведения строительных работ в котловане и обеспечению
устойчивости его откосов, к условиям водопонижения из котлова-
на и подземных выработок; к обоснованию протйвофильтрацион-
ных и дренажных мероприятий и к иным вопросам, неизбежно
возникающим при проектировании сложных объектов.
Другим примером успешного строительства ГАЭС в сложных
условиях, в сильно тектонически нарушенном и закарстованном
массиве известняков и доломитов триаса и юры являются соору-
жения, на р. Черном Ваге в Словакии (ЧСФР) (рис. 5.7). Соглас-
но данным В. Невицкого и других (1985), *в пределах поймы и
русла реки проходит крупный разлом типа надвига шириной бо-
лее 100 м, разделяющий существенно различные комплексы по-
176
род. В правобережном массиве известняков и доломитов разве-
дочной штольней выявлена разломная зона, наклоненная под уг-
лом 35—40° в сторону реки, шириной до 20 м, выполненная бу-
рой глиной. Наличие разлома исключило возможность подземно-
го размещения здания ГЭС (рис. 5.7, Б). Кроме того, в массиве
распространены пять систем трещин, с преобладанием параллель-
ной русловому разлому. Площадка верхнего водохранилища рас-
положена на абс. отм. 1160 м и сложена закарстованными доло-
митами и известняками, прикрытыми четвертичными образова-
ниями, мощностью до 3 м. На дне вскрытого верхнего водохрани-
лища, глубина которого 25 м, обнаружено множество открытых
трещин и карстовых пустот, обычно приуроченных к тектониче-
ским нарушениям, их оказалось значительно больше, чем предпо-
лагалось по материалам изысканий, хотя было пробурено
200 скважин и выполнены различные геофизические исследова-
ния. Часть карстовых полостей и каналов была выполнена до
глубины 30 м вмытым обломочно-глинистым материалом, ниже
закарстованность локально возрастала. Появилась опасность про-
рыва вод из верхнего водохранилища в закарстованный массив и
возникла задача уточнить закарстованность и распространение
пустот путем дополнительной разведки и обосновать участки их
заделки и инъекций бетонной смесью. По всей чаше верхнего во-
дохранилища (объем 3,7 млн м3) создано надежное противофиль-
трационное асфальтобетонное покрытие.
Наличие в массиве наклонной тектонической зоны с влажной
бурой глиной и многочисленными трещинами существенно ослож-
нило как проходку трех подземных трубопроводов диаметром
3,8 м и длиной 1300 м каждый, так и вопрос об оценке общей
устойчивости склона. Разведка штольней, бурением, опытные
геомеханические работы по определению модуля деформации,
прочностных показателей бурой глины в карстовых полостях и
естественных напряжений, а также исследования на моделях и
аналитические расчеты привели к результатам об общей стабиль-
ности склона, обосновали конструкцию, крепление и проходку
подземных трубопроводов.
Проектирование и строительство плотины высотой 27 м и ниж-
него водохранилища учитывали сложное геологическое строе-
ние— наличие глубинного широкого разлома, повышенной дроб-
ленности пород, 6-метрового слоя аллювиальных галечников и
другие особенности. Были трудности с выбором створа плотины,
размещением здания ГЭС, сопряжением ее с трубопроводами, с
оценкой изменяющихся при вскрытии механических характери-
стик пород. Инженерно-геологическое обоснование плотины и
ГЭС потребовало обстоятельной разведки шахтами, скважинами
до глубины 50 м, изучения механических свойств пород основа-
ния и водопроницаемости галечников опытными откачками. Вы-
явилась необходимость обосновать типы и глубины противофиль-
трационных завес; были рекомендованы на правобережном при-
мыкании двухрядная на глубину 60 м и трехрядная на глубину до
177
Рис. 5.8. Инженерно-геологическая схема участка Днестровской ГАЭС.
Склоны р. Днестра н притока: 1 — обвально-осыпные, средняя крутизна в гра-
дусах, состояние, близкое к предельному; 2 — оползневые, относительно устой-
чивые; 3 — делювиальные, устойчивые; 4 — плейстоценовая поверхность, пере-
крытая делювием с отчлененными пакетами известняков у бровки склона; 5 —
первая и вторая террасы притока; 6 — погребенный овраг, выполненный про-
лювиальными суглинками: 7 — тектонические разрывные нарушения, ограничи-
вающие блок, с перемещением до 10 м; простирание: а — СЗ 330°, б — СВ
30—35°; 8 — тектонические нарушения с перемещением 3—5 м; 9 — крупные
тектонические трещины, субвертикальные; 10 — подмыв рекой; И — источни-
70 м в левобережном примыкании. При строительстве котлована
для ГЭС в русле реки проводились детальные наблюдения за
устойчивостью его откосов и возможным влиянием на состояние
правобережного склона.
Опыт изучения инженерно-геологических условий района раз-
мещения сооружений ГАЭС, возводимых на слоистых литологи-
чески разнородных осадочных породах, может быть показан на
примере Днестровской ГАЭС. Создание ГАЭС в районе Днестров-
ского комплексного гидроузла, имеющего основное и буферное
водохранилища, представлялось целесообразным по энергетиче-.
ским и экономическим мотивам. При однотипном в целом строе-
нии и состоянии делювиально-оползневых и осыпных склонов в
районе гидроузла, а также учитывая трудности отчуждения сель-
скохозяйственных земель, на первом этапе ТЭО для ГАЭС был
намечен высокий междуречный массив, с ровной поверхностью,
ограниченный Днестром, с правым притоком и глубоким оврагом
(рис. 5.8). Склон р. Днестра, подмываемый, обнаженный, обваль-
но-осыпной, с отдельными сплывами в осыпях и выветрелой зо-
не, общей крутизной 38—40°, не обладает запасом устойчивости,
близок к предельному состоянию, в связи с чем не был рекомен-
дован как створ для ГАЭС. Склоны, обращенные к притоку, име-
ют среднюю крутизну 22—25°, со старыми оползнями, прикрыты-
ми делювием, сопряжены с надпойменными террасами, оказываю-
щими на них стабилизирующее влияние.
В средней части участка, где намечено разместить верхнее во-
дохранилище, к Днестру открывается растущий овраг, приурочен-
ный к древнему погребенному оврагу, простйрание которого со-
впадает с малым разрывным нарушением. Геологическое строе-
ние склона притока, где предполагается расположить основные
сооружения ГАЭС, показано на рис. 5.9. С поверхности между-
речного массива залегают пылеватые суглинки, покрывающие
пачку трещиноватых слабозакарстованных известняков сармата
(Nis) и смытые у бровки склона. Нижележащие тортонские от-
ложения (Nit) начинаются со слоя глин, размытого в пределах
древнего оврага и у бровок склона, являющихся водоупором для
подземных вод в сарматских известняках; сменяются пачкой пес-
чаных пород изменчивого состава. Слоистые песчано-алевролито-
вые, карбонатно-глинистые и кремнистые породы сеноманского
яруса (Кгс) залегают на размытой поверхности терригенной тол-
щи верхнего докембрия (ре3), представленной несколькими пере-
слаивающимися пачками трещиноватых аргиллитов, алевролитов
и песчаников. Подземные воды пластово-трещинного типа заклю-
чены в основании песчаной толщи сеномана и в прослоях песча-
ки: одиночные (а) и групповые (б); 12 — осыпи действующие; 13 — границы
голоценовых приостановившихся оползней; 14 — погребенные границы верхне-
плейстоцеиовых оползней; 15 — граница между терригенной толщей верхнего
докембрия и сеномаи-миоцеиовыми песчаио-карбонатными отложениями; 16 —
линии инженерно-геологических разрезов
179
Рис. 5.9 Разрез делювиально-оползневого склона притока Днестра по линии 13 на участке ГАЭС (см
рис. 5.8):
1 — террасы притока; 2 — делювиальный склон с погребенными оползнями; 3 — оползни-сплывы; 4 —
оползни блоковые верхнедокембрийских пород; 5 — современный оползень; 6 — промоина; 7 — при-
бровочная часть водораздельной поверхности, частично размытая
ников верхнего докембрия; они иногда имеют незначительный на-
пор, дренируются склонами Днестра, притока и оврага. Основные
оползни блокового типа на склонах притока сформировались в
период вреза второй террасы, в дальнейшем частично были пере-
работаны оползнями, сплывами и прикрыты обломочно-глинистым
делювием. Оползневые накопления на склоне состоят из пакетов
и обломочно-глинистых масс выветрелых и разрушенных алевро-
литов и песчаников верхнего докембрия; карбонатные и песчано-
глинистые породы верхнего мела и миоцена были смещены значи-
тельно дальше и размыты притоком.
После принципиального решения о целесообразности создания
ГАЭС в сочетании с Днестровским гидроузлом приступили к ин-
женерно-геологическим изысканиям на стадии ТЭО, на первом
этапе которого по материалам инженерно-геологического карти-
рования был выбран участок правобережья долины Днестра,
изображенный на рис. 5.8. На стадии ТЭО в соответствии с вы-
шесформулированными задачами, сравнивая строение и устойчи-
вость склонов Днестра и притока, было необходимо обосновать
выбор створа для размещения основных сооружений ГАЭС, ха-
рактеризуемых типовыми разрезами № 9 и 13, а также оценить
строение, состояние и водоудерживающую способность пород во-
дораздельной поверхности для создания верхнего водохранили-
ща. При сопоставлении и предварительной оценке инженерно-
геологических условий створов сооружений ГАЭС предстояло
рассмотреть в общем виде варианты подземного и наземного раз-
мещения трубопроводов и здания с турбинами.
Для инженерно-геологического обоснования проектных реше-
ний на стадии ТЭО были выполнены: детальное инженерно-гео-
логическое картирование с применением фотограмметрических
методов изучения строения, обводненности и состояния склонов;
разведочное бурение в значительном объеме на склонах и на во-
дораздельной поверхности с детальной литологической и гидро-
геологической документацией и фильтрационным олробованием
(откачки, наливы) водовмещающих и водоупорных пачек. Одной
из важных задач изысканий было составление принципиальной
схемы формирования и интенсивности движения подземных вод
по пластам в сторону склонов и в глубь массива по системе тре-
щин, что определяло прогноз фильтрационных потоков из верх-
него водохранилища, влияние их на устойчивость склонов, увели-
чение обводнения массива и обосновывало систему дренажных и
противофильтрационных мероприятий. Предварительная оценка
общей устойчивости склонов основывалась на сравнительно-гео-
логическом и традиционных расчетных методах, для которых бы-
ли изучены физико-механические свойства пород.
В результате проектных проработок было принято, что соору-
жения ГАЭС целесообразнее разместить на практически устойчи-
вом склоне притока Днестра, чем на более крутом, интенсивно
подмываемом и потенциально неустойчивом склоне Днестра. По-
сле утверждения ТЭО приступили к более детальным комплекс-
181
ним изысканиям на стадии Проекта и рабочей документации.
Оценка современной устойчивости склонов Днестра и притока и
прогноз ее изменения с учетом неизбежных строительных врезок
(дорог, котлованов и т. п.), дополнительного обводнения и воз-
действия нижнего водохранилища (подпор и сработка уровней
подземных вод, размывы при сбросе вод, увлажнение пород), а
также обоснование конструкций опор для трубопроводов, общих
укрепительных мероприятий и технологии строительных работ —
главные вопросы изысканий на стадии Проекта. Для их решения
проведена детальная разведка бурением и штольней геологиче-
ского строения склонов с выделением инженерно-геологических
пачек, характерных слоев, контактов и трещин, которые могут
быть возможными поверхностями смещения. Наряду с уточнения-
ми геологических признаков состояния склонов и прогноза его из-
менения применялись различные методы расчета устойчивости, в
том числе конечных элементов (сопоставление полей напряжений
и прочности пород массива), а также эксперименты на моделях
из эквивалентных материалов, воспроизводящие наиболее вероят-
ный механизм и объемы оползней с обязательным учетом техно-
генных факторов.
Задачи прогноза утечек из верхнего водохранилища и про-
странственных фильтрационных потоков в массивах пород скло-
нов и обоснования защитных покрытий, завес и дренажей реша-
ются путем численных расчетов и гидрогеологического моделиро-
вания на основе детальных данных об уровенных режимах водо-
носных горизонтов, степени их гидравлической связи и балансо-
вых характеристик. Целенаправленные гидрогеологические натур-
ные исследования — бурение специальных скважин, опытно-филь-
трационные работы и тщательные режимные наблюдения за род-
никами на склонах и уровнями вод в выработках — позволят
получить данные, необходимые для достоверных прогнозов.
Первый опыт оценки устойчивости склонов и гидрогеологиче-
ских прогнозов по изложенной методике, не во всех разделах пол-
ностью выполненной, приведен в книге «Проблемы инженерной
геологии ГАЭС и водохранилищ...» (Золотарев и др., 1983) и в
серии статей в «Трудах Гидропроекта».
При проектировании по завершении изысканий для наземного
и подземного вариантов ГАЭС на стадии ТЭО и рекомендации
наиболее рационального из них иногда может возникнуть ситуа-
ция (например, при изменении некоторых параметров станции
из-за отсутствия строительной техники, соблюдении безопасности
при эксплуатации и т. п.), когда целесообразно незначительно пе-
реместить объект или необходимо уточнить подземные и другие
условия, принципиально не влияющие на комплекс сооружений и
стоимость ГАЭС. В этих случаях дополнительные изыскания про-
водятся на первом этапе Проекта, если нет возможности выпол-
нить их до утверждения ТЭО.
Размещение здания ГЭС на 40—50 м ниже НПУ нижнего во-
дохранилища требует проходки с водопонижением глубокого кот-
182
лована, располагаемого обычно в основании крутого склона, на
котором будут проложены трубопроводы, что может быть серьез-
ным фактором нарушения устойчивости и нуждается в детальном
изучении. Несмотря на производственное (преимущество варианта
размещения турбин в открытом котловане, с широким примене-
нием строительной техники, в случаях, когда вероятна опасность
нарушения общей устойчивости склона, необходимо обосновать с
инженерно-геологических позиций целесообразность варианта
установки машин в разобщенных опускных колодцах диаметром
до 60 м, в наименьшей мере изменяющих устойчивость склонов,
такие решения, в частности, приняты для Днестровской, Канев-
ской и других ГАЭС.
В случае принятия варианта ГАЭС с подземным размещением
сооружений, как для Ипел, изыскания на стадии Проекта и ра-
бочей документации необходимо проводить в соответствии с реко-
мендациями, приведенными в главе VI. Прогнозная оценка устой-
чивости высоких склонов сложного строения и инженерно-геоло-
гических условий внутри массива при строительстве в нем под-
земных сооружений почти всегда является приближенной, особен-
но при наличии трудно учитываемых техногенных факторов.При
разработке рабочей документации в процессе строительства осо-
бое внимание необходимо уделить проверке правильности прогно-
зов и заключений, сделанных на стадии Проекта; достаточности
инженерных мероприятий по предотвращению оползневых и дру-
гих деформаций массива пород, прорывов подземных вод, опас-
ной фильтрации и других негативных процессов. Поэтому при
строительстве необходима постоянная инженерно-геологическая,
служба, организованная по системе мониторинга, имеющая ква-
лифицированных специалистов, лабораторную базу и техниче-
ские средства для быстрого выполнения дополнительных иссле-
дований.
Инженерно-геологическое обоснование проектирования ГАЭС
в горно-складчатых областях с напорами до 400—500 м, таких,
как Черный Ваг в ЧСФР и другие, требует специфических мето-
дов изысканий. Инженерно-геологические условия в этих районах
определяются крутыми горными склонами, массивами литифици-
рованных карбонатных, терригенных и магматических достаточно
прочных пород с разломами и крупными трещинами, с высокими
значениями естественных напряжений, в том числе горизонталь-
ных, неравномерной, иногда значительной обводненностью, за-
карстованностью, потенциальной оползне- и обвалоопасностью,
нередко высокой сейсмичностью. Одним из примеров подобных
сооружений является ГАЭС ЭнКантада в Испании, расположен-
ная в долине р. Гуадалхорс, у пос. Алора вблизи г. Малага. Ком-
плекс сооружений ГАЭС состоит из: а) верхнего водоема объ-
емом 3 млн м3 и полезной емкостью 2 млн м3; б) напорного тру-
бопровода диаметром 10 м (металлическая труба в железобетон-
ной оболочке), проложенного вверху в подземных условиях и на
нижней половине по поверхности склона; в) нижнего водохрани-
183
лища на р. Гуадалхорс, созданного бетонной 40-метровой плоти-
ной, и г) здания насосной и электростанций, фундаменты кото-
рых заложены на галечниках на 50 м ниже НПУ водохранилища.
В здании станции размещены четыре турбины по 125,5 кВт каж-
дая, с (подъемом воды более 300 м и расходом 27,2 м3/с, что обес-
печивает мощность ГАЭС в 360 тыс. кВт.
Верхний водоем создан на узком водоразделе, примерно на
высоте 300 м над руслом р. Гуадалхорс, в выемке, в миоценовых
трещиноватых песчаниках и включает четыре небольшие плоти-
ны, перекрывающие вершины оврагов, начинающихся на гребне.
В массиве песчаники плотные и их средний коэффициент филь-
трации равен нескольким сантиметрам в сутки. Однако в зонах
разрывов и трещин водопроницаемость значительно возрастает и
по периметру водоема потребовались противс>фильтрационные за-
весы глубинами от 10 до 50 м. Откосы выемки верхнего водоема
укреплены железобетонными плитами и частично торкрет-бетоном
для уменьшения фильтрации и предотвращения размыва откосов
при ежедневных колебаниях уровней воды и Значительных ско-
ростях течения. На дне водоема уложен противофильтрационный
экран толщиной 50 м. Общие потери воды на фильтрацию из
верхнего водоема составляют 0,14 м3/с; отмечается во времени ее
уме^ьшеите; «а состоя дата склоиов ова пока те отразилась. По-
тери на испарение превышают фильтрационные. Подземный на-
порный трубопровод проложен в песчаниках и конгломератах
миоцена, достаточно устойчивых, и при проходке туннеля особых
затруднений не отмечено.
§ 3. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
и гидрогеологические изыскания
В РАЙОНАХ ВОДОХРАНИЛИЩ
Среди многих задач комплексных изысканий для гидротехниче-
ского строительства проблема комплексного изучения территорий
затопления и прилегающего к водохранилищу побережья зани-
мает особое положение из-за своей разноплановости и сложности.
Водохранилища создаются с целями: энергетическими, ирригаци-
онными, транспортными, водоснабжения и борьбы с паводками;
они подразделяются по регулированию стока рек на многолетние,
сезонные и суточные (для ГАЭС). Режим их уровней различен и
зависит от назначения водохранилища, от объемов потребления
воды и от водности года (много-, средне- и маловодные). Волно-
вой режим и течения обусловлены шириной и рельефом дна водо-
ема, направлениями, скоростями и повторяемостью ветра; на ма-
лых водохранилищах возникают низкие волны при интенсивном
судоходстве.
Изменение отношения к созданию крупных водохранилищ не-
зависимо от их назначения произошло из-за различных негатив-
ных, в том числе экологических, последствий, неосуществления
инженерной защиты от опасных процессов, ошибочной оценки
184
материального ущерба в связи с многократным возрастанием
стоимости земли и т. д.; оно по существу временно приостанови-
ло развитие гидроэнергетики. Существующие водохранилища на
Волге, Каме, Днепре и других реках оказались настолько загряз-
ненными разнообразными вредными сбросами от промпредприя-
тий, сельского хозяйства, гниющей невырубленной растительно-
сти, плавающей древесины, неудаляемыми водорослями в усло-
виях замедленных течений, что использование их вод, рыбопроиз-
водство, экологическая обстановка требуют радикального пере-
смотра и необходимы очень крупные затраты на восстановитель-
ные мероприятия. Следовательно, проблема эксплуатации суще-
ствующих и создания новых водохранилищ обязывает к коренно-
му изменению методики комплексного изучения, отношения к осу-
ществлению мероприятий инженерной и экологической защиты,
требований и ответственности ведомств, владеющих землями, по-
селками, предприятиями и другими объектами на берегах водо-
хранилищ.
В настоящее время перспективны создание и проектирование
преимущественно водохранилищ многолетнего регулирования и
разного назначения в горных и предгорных районах, с глубинами
до 200—300 м, со сработками уровня от 20—30 до 70—90 м, объ-
емами от 1—2 до 20 км3, а также верхних и нижних водохрани-
лищ ГАЭС с ежесуточными сработками до 8—10 м и объемами
от 2—3 до 130 млн м3. Созданные в 50-х и 60-х годах водохрани-
лища на Волге, Днепре, Каме, Ангаре и других реках платфор-
менно-равнинных областей, вследствие больших объемов, разме-
ров, затоплений и других негативных особенностей при обычных
сработках уровней в 3—4 м, ныне рассматриваются как нерацио-
нальные по экономическим и экологическим соображениям.
В табл. 5.3 приведены данные по некоторым существующим и
проектируемым водохранилищам и для сравнения по крупным
озерам.
Изменения гидрогеологического речного режима на озерный,
возникновение волн, специфических течений и потоков наносов в
условиях переменных уровней приводят к существенным преобра-
зованиям во взаимодействии с подземными водами и геологиче-
ской средой берегов, а также к новым климато-ландшафтным об-
становкам. В зависимости от рельефа и типа берегов речной до-
лины, их геологического строения и процессов, от нового гидро-
логического режима водоема, залесенности и характера хозяйст-
венной деятельности, освоенности территории и других факторов
возникают разнообразные инженерно-геологические, гидрогеоло-
гические и геокриологические процессы, преимущественно с нега-
тивными последствиями. К их числу относятся:
1. Формирование подпора грунтовых и напорных вод с неста-
ционарными режимами, вызывающего:
а) подтопление городов, населенных пунктов, промышленных
и транспортных объектов, земель, лесных угодий, месторождений
полезных ископаемых, горных разработок и т. д.;
185
Таблица 5.3
Данные о водохранилищах
Водохранилище Площадь, км1 Объем» км8 Напор, м Колеба- ния уров- ней, м Породы преобладающие
Куйбышевское на р. Волге 5600 58 29 3—4 тески и четвертичные су- глинки; мезозойские гли- ны и мергели; пермские красноцветы; известняки карбона
Волгоградское 3200 32,1 25 2—3 четвертичные глины, пес- ки, суглинки; различные осадочные морские поро- ды
Братское на р. Ангаре 5500 170 100 2—3 четвертичные, терриген- ные, красноцветы с гип- сом, траппы
Усть-Илимское на р. Ангаре 1833 59 100 1,5—3,5 разновозрастные карбо- натные, терригенные, вул- каногенные, траппы, пес- ки, суглинки, торф
Красноярское на р. Енисее 2100 73,3 100 16 пески, суглинки, карбо- натные, выветрелые тер- ригенные, метаморфичес- кие
Токтогульское на р. Нарыне 284 19,5 200 67 известняки метаморфизо- ванные; третичные глииы, засоленные суглинки
Нурекское на р. Вахше 95 10,5 280 53 мезозойские терригенные, лёссы
Чарвакское 40 2,0 160 55 тре тич ные тер риге иные, лессы, галечники
Ингурское 21 1,2 270 70 известняки, порфириты, туфосланцы, туфопесча- ннки
Днестровское 150 60 18 протерозойские терриген- ные, песчано-карбонатиые третичные, суглинки, пес- ки
Байкал, озеро в подпоре Белое озеро Онежское озер. 31 500 1 200 э 9 900 23 000 глубины 1620 20 120 1—1,5 1,2 ДО 1 изверженные, глины тре- тичные ледниковые преимущественно магма- тические
Кариба, р. Зам бези, Африка Гувер, р. Коло радо, США • 175 35 128 140
186
б) обводнение и изменение состояния и свойств пород склонов,
способствующие активизации различных инженерно-геологиче-
ских процессов на берегах.
2. Переформирование (переработка) берегов водохранилищ в
различных формах, разной интенсивности и во времени под влия-
нием волнового воздействия, переменных уровней, нового режима
подземных вод и существенных изменений состояния и свойств
пород склонов.
3. Возникновение новых и активизация существующих процес-
сов выветривания, абразионных, обвально-осыпных, оползневых,
просадочных в лёссах, карстовых, эрозионных и др.
4. Изменение режима и состояния многолетней мерзлоты на
склонах и дне водохранилищ, возникновение различных специфи-
ческих деформаций пород (проседаний) при их оттаивании, а так-
же своеобразных форм переработки с последующими размывами,
оползанием и иными видами разрушения берегов.
5. Фильтрация из водохранилища в соседние долины и в глу-
бокий обход плотины и обусловленное ею разнообразное воздей-
ствие фильтрационного потока на массивы пород.
6. Образование крупных мелководий в верховьях водохранилищ
и в заливах, на затопленных поймах и речных террасах, которые
приводят, как правило, к потере сельскохозяйственных, лесных и
других земель, к возникновению малярийных очагов.
7. Затопление территорий с перспективными месторождениями
полезных ископаемых (строительных материалов, рудных и др.),
а также минеральных вод, изменяющее их режим и состав.
8. Вторичное засоление земель или их заболачивание в зави-
симости от ландшафтно-климатических условий, связанное с под-
пором грунтовых вод.
9. Всплывание торфяных массивов при их затоплении при со-
ответствующих условиях залегания, мощности и свойствах.
10. Изменение сейсмического режима района, развитие «наве-
денных» (возбужденных) землетрясений при создании глубоких
водохранилищ и значительных колебаний их уровней.
11. Изменение гидрогеологической обстановки на территориях,
прилегающих к водохранилищу, приводящее в ряде случаев к
улучшению условий водоснабжения населенных пунктов и других
объектов, существующих и вынесенных из зоны затопления.
Главной задачей комплексных изысканий в районах водохра-
нилищ на всех стадиях, но с разной детальностью является про-
странственно-временной прогноз гидрологических, гидрогеологи-
ческих, инженерно-геологических и геокриологических процессов
и явлений, многофакторных и взаимообусловленных. Прогноз
должен характеризовать виды и интенсивность процессов, роль
отдельных факторов их развития, использовать в сочетании раз-
ные методы в зависимости от вида процесса, степени ответствен-
ности за результаты и обосновывать рекомендации по предотвра-
щению негативных последствий.
187
Разнообразие инженерно-геологических и гидрогеологических
процессов и явлений на водохранилищах, их характера, масшта-
ба, интенсивности, значения и мер защиты обязывает к проведе-
нию комплексных целенаправленных исследований — климато-
гидрологических, гидрогеологических, почвенных и инженерно-
геологических, в разумном их сочетании, последовательности и
детальности, в зависимости от сложности природных условий, су-
ществующей и перспективной освоенности территории, ее ценно-
сти, стадии проектирования и эксплуатации водохранилища.
Прогноз гидрогеологических и инженерно-геологических процес-
сов и явлений, их оценка призваны обосновать системы защитных
инженерных экологических и иных мероприятий с детальностью,
учитывающей значимость территории или объекта.
Подпор подземных вод и подтопление. Формирование подпора
грунтовых (безнапорных) и напорных подземных вод при созда-
нии водохранилищ обусловлено особенностями геологического
строения и водопроницаемостью пород берегов, пьезометрически-
ми уровнями, естественным режимом подземных вод, величинами
подъема горизонта воды в реке и обычно нестационарным уро-
венным режимом водохранилища. Подтопление следует рассмат-
ривать применительно к видам использования территории, типам
сооружений и их подземных частей, месторождениям полезных
ископаемых и другим объектам, расположенным в зоне развития
подпора подземных вод. Критерии (нормы) подтопления — глу-
бины залегания новых уровней подземных вод — должны быть
различными, учитывать продолжительность, нередко значитель-
ную, формирования подпора и влияние сезонных и многолетних
сработок водохранилищ. Считается, что территории являются
подготовленными при наивысшем положении уровня грунтовых
вод для сельских населенных пунктов и земель на глубине менее
2 м; луговых и лесных угодий—1 м; городов — 3—4 м и более, в
зависимости от глубин заложения фундаментов, подвальных ча-
стей зданий и других объектов. В подтопленном состоянии могут
находиться месторождения твердых полезных ископаемых, напри-
мер Горевское на Ангаре, минеральных вод, горные выработки,
существующие или проектируемые подземные сооружения.
При проектировании и осуществлении инженерной защиты
территории и различных объектов на создаваемых водохранили-
щах от негативных последствий подтопления обычно одновремен-
но рассматривают защиту от затопления и от возникающих мел-
ководий, часто пространственно сопряженных между собой.
В СНиПе 02.06.15.85 определены основные требования к защите
территории населенных пунктов, промышленных и других объек-
тов, сельскохозяйственных земель, природных ландшафтов и т. п.
Защитные мероприятия должны обеспечить: надежное функцио-
нирование и развитие народнохозяйственных объектов, сельскохо-
зяйственного и лесного производства, зон отдыха, разработку по-
лезных ископаемых, нормативные санитарные условия, охрану
188
Рис. 5.10. Развитие подпора грунтовых вод в аллювии IV террасы Волги на междуречье в нижней части Куйбышев-
ского водохранилища (по материалам И. Н. Кравченко):
А — схема; Б — разрез I—I. Уровни фактические- 1 — на 1954 г. до подпора; 2 — на I960 г.; 3 — на 1968 г.;
уровни прогнозные: 4 — через 10 лет; 5 — через 50 лет; 6 — в конечную стадию развития подпора
недр, вод и ландшафтов, рациональный гидрологический режим
территории и другие виды хозяйственной деятельности.
На развитие подпора грунтовых вод территории существенно
влияют техногенные факторы, и, как показывают данные наблю-
дений на берегах Волжских и других водохранилищ, формирова-
ние подтопления происходит по-разному. Многолетние наблюде-
ния на режимных створах Куйбышевского и Волгоградского во-
дохранилищ выявили, что фактическое развитие подпора грунто-
вых вод по величине и скорости обычно опережает прогнозное,
даже без влияния техногенных факторов. Вероятные причины рас-
хождения прогнозного и действительного подпоров заключаются
в следующем:
— расчеты подпора чаще производятся по уравнениям одно-
мерного фильтрационного потока, а реальный поток двумерный
из-за извилистости береговой линиии заливов, что не учитыва-
лось в методах прогноза;
— при схематизации фильтрационной среды недостаточно
учитывались более водопроницаемые отдельные прослои в толще
аллювия и наличие в ее основании русловых фаций, в которые
фильтрационный поток приобретал частично напорный характер;
— определение фильтрационных характеристик пород часто
было приближенным, и до создания водохранилища не было воз-
можности использовать метод «обратных решений»; поэтому по
данным наблюдений за режимом уровней грунтовых вод за пер-
вые годы эксплуатации целесообразно уточнять фильтрационные
параметры и прогнозы подпора;
— в массовых расчетах подпора обычно принимались мгно-
венное наполнение водохранилища и постоянный его уровень, без
учета режима сработки в годы разной водности.
В качестве примера можно привести развитие реального под-
пора грунтовых вод и его расхождения с расчетным на Волго-
Сусканском междуречье (Куйбышевское водохранилище). Меж-
дуречье образовано заливом по притоку и сложено среднечетвер-
тичным аллювием IV террасы р. Волги, крутой уступ которой воз-
вышался на 30—35 м над поверхностью второй террасы
(рис. 5.10). Грунтовые воды до создания водохранилища (1954 г.)
находились на глубинах от 25—32 до 3—7 м в зависимости от
рельефа. При достижении НПУ в 1957 г. величина подпора изме-
нялась от 23 м на контуре основного водохранилища до 3—4 м в
заливе. Выпуклую форму подпорный уровень, превышая прогноз-
ный, начал приобретать после 1963 г., обусловливая в пониже-
ниях рельефа локальное подтопление. В приурезовой полосе раз-
витие подпора осложнялось колебаниями уровня водохранилища.
После создания в 1967 г. оросительной системы и прудового хо-
зяйства в заливе начался интенсивный подъем грунтовых вод за
счет инфильтрации и в 1968 г. уровень их превысил на 2—4 м
прогнозный на 50-летний срок; усилилось локальное подтопление.
Другим примером является Саратовское левобережье Волго-
градского Поволжья, в пределах которого подпор грунтовых вод
190
Отм.,
« м
Отм,
м
Рис. 5.11. Схема развитии подпора грунтовых вод и подтоплении террасового берега под влиинием Волгоградского водохра-
нилища и других техногенных факторов:
1 — пески- аллювиальные (а), мелкие (м); среднезернистые (с) и крупные (к); аллювиально-ингрессионные (а—т) голоце-
новые (Qiv); хвалынские (Qinhv); хазарские (Qnhz); 2 — суглинки и супеси, аллювиальные, пойменные и старичные фа-
ции; 3 — глииы коричневые, слоистые, хвалынские, 4 — глины черные, плотные, водоупорные; 5 — средний коэффициент
фильтрации слои, м/сут; уровень грунтовых вод 6 — до подпора, стрелкой указан местный подпор, 7 — в стадии
формирования подпора после создания водохранилища; 8 — расчетный, при работе водопонижающих скважин; подпор
грунтовых вод из-за: 9 — утечек из водонесущих сетей, 10 — орошении земель; 11 — проектируемые водопонижающие
скважины
формируется под влиянием водохранилища, утечек из водонесу-
щих сетей города, расположенного на II террасе, инфильтрации
поливных вод высоких террас и неорганизованного стока поверх
постных вод (рис. 5.11). По материалам ПГО «Нижневолжскгео-
логия» (Ю. А. Фишман) водохранилище обусловило подпор грун-
товых вод в пределах I и II надпойменных террас на 4—7 м, ко-
торый распространился до 3 км. Картина резко изменилась после
начала орошения земель на высокой, 40—50-метровой, террасе.
Скорость подъема уровня достигла 0,8—0,9 м/год, а общая его
величина на 1980 г. составила 15—18 м, что вызвало увеличение
потока грунтовых вод в сторону низких застроенных террас и их
подтопление. Подобное интенсивное поднятие грунтовых вод и
подтопление территории при взаимодействии нескольких техно-
генных факторов обусловили необходимость системы многочис-
ленных водопонизительных скважин для уменьшения подтока как
со стороны водохранилища, так и со стороны высокой террасы.
Охарактеризованные процессы подпора грунтовых вод и подтоп-
ления на берегах Волжских и других водохранилищ являются ти-
пичными в разных модификациях, в зависимости от строения и
рельефа территории, уровенного режима водохранилища, водо-
проницаемости пород и др., в том числе интенсивности действия
техногенных факторов. Описание подтопления некоторых городов,
расположенных на берегах водохранилищ, приводится Г. А. Ра-
зумовым (1984).
Анализ данных о формировании подпора подземных вод и
подтоплении на берегах существующих водохранилищ позволяет
определить задачи изысканий следующим образом: а) для более
достоверных прогнозов пространственного развития подпора не-
обходимо применение экспериментального и математического мо-
делирования с целью учета уровенного режима водохранилища и
фильтрационной неоднородности среды; б) обязательное уточне-
ние исходных фильтрационных характеристик толщ, в которых
формируется подпор, по данным режимных наблюдений за пер-
вые годы эксплуатации, и в) необходимо в формировании подпо-
ра грунтовых вод оценивать удельное значение водохранилища,
утечек из водонесущих сетей, неорганизованного поверхностного
-стока на застроенных площадях и орошения. Установление «ис-
точников» формирования подпора грунтовых вод явится обосно-
ванием для проектирования и определит соответствующее доле-
вое участие в осуществлении защитных мероприятий, компенса-
цию затрат по переносу зданий, расходов по изучению развития
подтопления и по эксплуатации защитной дренажной системы.
Переформирование побережий водохранилищ. Многообразные
и сложные процессы переформирования (переработки, по терми-
нологии Ф. П. Саваренского) берегов водохранилищ, вызванные
сменой воздействия речного эрозионного преимущественно волно-
вым абразионным, в сочетании с изменением уровней и режима
подземных вод, изучаются специалистами разных научных на-1
правлений: инженерами-геологами, гидрологами, географами, ин-
192
женерами-путейцами и гидротехниками. Главные задачи натурных,
экспериментальных и теоретических исследований — установление
закономерностей различных взаимообусловленных процессов, раз-
работка методов пространственно-временных прогнозов и обосно-
вание эффективных частичных и комплексных мер инженерной
защиты.
Переформирование побережий водохранилищ следует пони-
мать значительно шире, чем собственно абразионные и аккумуля-
тивные процессы в виде размыва берега, образования, перемеще-
ния и отложения наносов, с возникновением соответствующих но-
вых форм микрорельефа. Затопление речных террас и нижних ча-
стей склонов, абразионные их размывы вызывают увеличение
крутизны, а в сочетании с воздействием подземных вод на поро-
ды берега определяют активизацию существующих и возникнове-
ние новых характерных для водохранилищ инженерно-геологиче-
ских процессов — выветривания, обвально-оползневых, просадоч-
ных, карстовых, провальных и других, нередко захватывающих
значительные территории от уреза водохранилищ.
Закономерности, механизм и прогноз процес-
сов переработки берегов. Гидрологический режим водо-
хранилищ различен, и при анализе закономерностей переработки
берегов, разработке методов прогноза и других вопросов необхо-
димо учитывать колебания уровней, волновые воздействия и тече-
ния в верховьях, заливах, в широких и узких частях водоема, а
также вдольбереговое перемещение наносов в годы разной вод-
ности и по сезонам. При большой ширине водохранилищ, берега
которых сложены легкоразмываемыми породами, преобладающее
значение в процессах переработки имеет волновая абразия, но,
как показывали наблюдения, уровенный режим играет большую
роль, чем ранее предполагалось и учитывалось в методах прог-
ноза.
Результаты наблюдений на многих существующих водохрани-
лищах за отмелями, надводными склонами и за их переформиро-
ванием позволяют сделать несколько общих выводов, которые
можно рассматривать как исходные положения при совершен-
ствовании методов прогноза переработки.
Реальные уровенные режимы водохранилищ на реках равнин
и тем более горных районов существенно отличаются от проект-
ных в связи с фактической сменой много- и маловодных лет и не-
равномерным водопотреблением на орошение, выработку энер-
гии и непредусмотренные сбросы. Например, на Чарвакском во-
дохранилище НПУ с 1971 по 1983 г. наблюдалось только в 1979,
1980 и 1981 гг., неоднократно срабатывалось на 15—18 м ниже
УМО (1982 г.), со скоростями снижения до 1 м/сут. На Токто-
гульском водохранилище, которое имеет ущельную и верхнюю
озеровидную части, проектный уровень не был достигнут из-за
подачи воды на орошение в засушливые годы, и ГЭС работала
на бытовом стоке реки. Даже при полностью зарегулированном
речном стоке, как на Волге, фактический уровенный режим Куй-
193
Рис. 5.1Й. Фактическая переработка берегов Куйбышевского водохранилища, сложенных: А — песками мелкозернисты-
ми, аллювиальными (aQ8), III терраса у с. Белый Яр; Б — глинами карбонатными, плотными (J3), вблизи цос. Уидо-
ры (по Л. И. Олеховой)
бышевского водохранилища не совпадает с проектным; наблюда-
ются форсированные уровни (1963, 1979 гг.), при которых резко
увеличивается переработка берегов. В годы больших сработок
перемывается материал аккумулятивных частей отмелей при не-
значительных перемещениях уступов. В годы с разными уровня-
ми происходит неодинаковое перемещение аккумулятивного ма-
териала отмелей и образуются различные профили, что сказыва-
ется на величинах общей переработки берега в последующие
годы.
При форсированных уровнях на ГЭС или их повышении из-за
нагонных процессов размеры переработки берега существенно
возрастают, например на участке Белый Яр на Куйбышевском во-
дохранилище, который сложен мелкими аллювиальными песками,
в годы высоких уровней (1963, 1970, 1979 и 1985), для которых
были типичны высокие волны, объемы размыва надводного усту-
па увеличивались с 12—25 (при низких уровнях) до 82—165 м3
на 1 пог. м берега (рис. 5.12).
Волновой режим, определяемый направлением, скоростя-
ми и продолжительностью преобладающих ветров, трудно прогно-
зируется на отдельные годы или на краткий ряд лет. На форми-
ровании волн сказывается рельеф затопленной долины реки, осо-
бенно на мелководных участках, изменяющихся при разных уров-
нях водохранилища. В узких частях и на горных водохранили-
щах волновое воздействие на берега и отмели незначительно, оно
не является основным фактором переработки; уровенный режим
становится преобладающим в процессах переформирования бе-
регов. Учитывая нестационарность уровенного и волновых режи-,
мов водохранилищ, особенно при значительных сработках, и их
зависимость от приближенно прогнозируемых метео- и гидрологи-
ческих факторов, прогнозы переработки берегов всегда будут ори-
ентировочными.
Отмели, образование и перемещение наносов!
как факторы переформирования берегов и отме-
лей водохранилищ. Для широких частей водохранилищ,
где преобладает волновое воздействие и берега сложены размы-
ваемыми песками, мелкообломочными и супесчаными породами,
характерны образование, перемещение наносов и их активная
роль в формировании новых абразионных или аккумулятивных
отмелей и надводных уступов. Отмели в подводной части и в зо-
не переменных уровней формируются при размывах за счет пре-
имущественно песчано-обломочных масс, поступивших со склонов
при их разрушении, оползании и осыпании за счет селевых выно-
сов и вследствие продольного перемещения наносов. В зависимо-
сти от условий аккумуляция может практически отсутствовать,
составлять единицы и десятки процентов и даже преобладать над
размывом; в последнем случае наблюдается заносимость берега,
и переработка его через некоторое время прекращается. Это на-
блюдается в устьях оврагов, в вершинах вновь образованных
бухт, у бортов удлиненных мысов, сложенных неразмываемыми
195
породами и обращенных в сторону господствующего волнения, а
также в пределах выноса из боковых долин селевых обломочных
масс из прочных пород, что наблюдается, например, на западном
берегу Байкала (Средняя Падь).
Берега водохранилищ, изучаемые для прогноза переработки,
оценки их устойчивости и защиты, следует классифицировать по
следующим признакам:
— по характеру пород, слагающих склоны, выделяя шесть ос-
новных их комплексов — легкоразмываемые (пески, суглинки),
легкоразмокаемые (лёссы); средней прочности, но легковыветри-
вающиеся (глины, мергели, песчаники полимиктовые, глинистые
и т. п.); легкорастворимые (гипсы, соли); прочные, маловыветри-
вающиеся и практически неразмываемые (интрузивные, извест-
няки, метаморфические); предыдущие типы пород, но в многолет-
немерзлом состоянии;
— по гидрогеологическим условиям — развитию подпора под-
земных вод, их режиму, величинам гидравлических градиентов,
возникающих в связи со сработкой уровней водохранилищ;
— по высоте и крутизне склонов;
— по наличию на берегах активных оползней, осыпей, обва-
лов, карста, селевых потоков, просадок и т. д.;
— по образованию на отмелях и в заливах водохранилищ ак-
кумулятивных форм, в том числе за счет выноса селевыми пото-
ками обломочных трудноразмываемых масс.
Побережья водохранилищ всегда являются территориями
строительства и хозяйственного использования, на них неизбежно
создаются подрезки, отвалы, склады, здания, осуществляются бе-
регозащитные мероприятия и действуют другие техногенные фак-
торы, влияющие на переработку берегов, на перемещение нано-
сов и общую устойчивость склонов.
Породы, их выветриваемость и физико-меха-
нические свойства. Литологические типы пород, свойства и
мощности отдельных компонентов разреза — фациальная измен-
чивость, выветриваемость и реакция при переменном взаимодей-
ствии с водой — определяют основные особенности переработки
берегов. Процессы разрушения пород — размокание, выщелачи-
вание, оплывание, суффозия, оттаивание, изменение прочности и
их дальнейший размыв, возникающие при взаимодействии с во-
дохранилищем,— существенно различны на поверхности в зоне
сработки, на подводной части склона и внутри массивов в усло-
виях подпорных уровней подземных вод. Аллювиальные, морские,
водно-ледниковые, делювиальные и осыпные песчаные, мелкооб-
ломочные и супесчано-суглинистые породы легко размываются, и
для них может быть принято допущение, что объем размыва
пропорционален энергии волн; каждый тип грунта характери-
зуется показателем сопротивления волновому размыву. Процесс
размыва и переноса дисперсных и мелкообломочных грунтов и
наносов обусловлен скоростями течения и энергией водных пото-
ков, вызываемых волнами, возникновением взвешивающего дав-
196
ления в придонном слое из-за разницы уровней на гребне и во
впадине волны, образованием глинисто-песчанистой суспензии у
дна, увеличивающей плотность воды и сс взвешивающую способ-
ность.
Процессы разрушения и размыва берегов, сложенных терри-
генными, карбонатно-глинистыми и другими легковыветривающи-
мися породами, являются более сложными, чем песчаных. Они
обладают относительно прочными структурными связями, без
предварительного разрушения и выветривания которых эти поро-
ды трудно размокают и размываются. Под влиянием главным
образом попеременного высыхания и увлажнения, замерзания и
оттаивания подобные породы, особенно в зонах сработки и на-
ката волн, быстро превращаются в мелкую дресву и агрегашые
глинистые массы, легко оплывающие, осыпающиеся и размывае-
мые волнами. Залегание и переслаивание литологических пачек
и отдельных пластов определяют избирательный характер вывет-
ривания и интенсивность последующей переработки. Щебень и
глыбы более прочных и труднее выветривающихся пород, напри-
мер песчаников или известняков, обрушивающихся с уступа, мо-
гут бронировать пласты глин и аргиллитов, создавая своеобраз-
ную отмостку, которая защищает берег от размыва до тех пор,
пока эти обломочные массы не дезинтегрируются и не перерабо-
таются волнами (рис. 5.13).
Скорость выветривания литифированных глин, аргиллитов,
алевролитов, мергелей, опок, полимиктовых глинистых песчани-
ков и аналогичных пород различная, но значительная. Литифици-
рованные глинистые породы по данным натурных наблюдений в
Рис 5 13 Избирательный характер выветривания и размыва среднедевонских
аргиллитов и песчаников на берегах Красноярского водохранилища (фото
В С Кусковского)
197
условиях непрерывного сноса (осыпания, смыва) характеризуют-
ся величинами образования горизонта тонкого дробления от
0,05—0,07 до 0,4—0,5 м/год. Скорость выветривания песчаников!
меньше и зависит от прочности цементирующего вещества. В об-
становке многократных циклов увлажнения и высыхания, напри-
мер в зоне ежедневных сработок на водохранилищах ГАЭС или
при заплескал волн при штормах, интенсивность разрушения по-
род возрастает в несколько раз.
Механические свойства и размываемость разнообразных обло-
мочно-глинистых осыпных, пролювиальных, делювиальных и дру-i
гих склоновых образований, развитых на берегах, обусловлены
их составом, распределением обломков, плотностью, текстурными
особенностями и степенью увлажнения; их величины весьма раз-
личны, Увеличение обводненности склоновых обломочно-глини-
стых образований, вызываемое подпором от водохранилища, по-
ступлением вод за счет инфильтрации и подтока из основного
массива приводит к снижению их прочности, возникновению
оползней и оплывин, обусловливает возможность размыва и ин-
тенсифицирует процессы переработки.
Рельеф. Высота и крутизна берегового склона водохранили-
ща в его надводной и подводной частях оказывают существенное
влияние на процессы переработки. Высота, деформация и энер-
гия волн при подходе их к урезу определяются рельефом затоп-
ленной части долины, а следовательно, обусловливают абразион-
ное воздействие волн на берег, перемещение и аккумуляцию Hat-
носов. На крутых склонах глубоких водохранилищ, даже в усло-
виях интенсивного переформирования надводной части, образо-
вание аккумулятивной отмели затруднено, так как сместившиеся
обвально-осыпные и оползневые массы уходят на глубину.
Перемещение линии уреза в глубь берега с образованием от-
мели или без нее еще больше увеличивает крутизну надводной
части склона, что приводит к возрастанию максимальных каса-
тельных напряжений и может вызвать образование оползней вы-
давливания или скольжения блокового строения.
Гидрогеологические факторы. Создание водохрани-
лищ, особенно со значительной сработкой горизонтов, сущест-
венно отражается на подпоре и режиме подземных вод в берегах,
на обводненности пород и состоянии склонов, на общем развитии
процессов их переформирования. При анализе процессов и выбо-
ре метода прогноза необходимо учитывать влияние подземных
вод, находящихся в подпоре:
— на снижение прочности пород берега вследствие их обвод-
нения, особенно существенное, если они обладают нестойкими
структурными связями, легко размокают, выщелачиваются и вы-
плывают из-под вышележащих пластов.
— на возникновение при быстрых сработках уровней водо-
хранилищ гидродинамического давления в породах склонов, ко-
торое нарушает их устойчивость и может вызвать необратимые
суффозионные размывы;
198
— на общее изменение напряженного состояния массивов по-
род склонов в связи с подпором напорных и безнапорных вод.
Например, увеличение влажности практически безводных ал-
лювиальных мелкозернистых песков и пылеватых суглинков цо-
кольной высокой террасы Енисея у пос. Куртак при наполнении
Красноярского водохранилища привело к очень большой перера-
ботке крутого уступа, оцениваемой в 15 тыс. м3 на 1 пог. м бере-
га за 1967—1975 гг. (Кусковский, 1977). Механизм процессов за-
ключался преимущественно в выплывании мелких песков и су-
глинков в основании террасы при их обводнении; волновое воз-
действие играло ограниченную роль.
Влияние гидродинамического давления на устойчивость склог
нов и образование оползней и на развитие оплывин в лёссах про-
явилось на Чарвакском и других водохранилищах в Узбекистане.
Особенно существенно гидродинамическое давление будет сказы-
ваться на развитии процессов суффозии и оползней на водохра-
нилищах ГАЭС при ежедневных подъемах и сработках уровней.
Переформирование берегов, сложенных просадочными лёсса-
ми— пылеватыми суглинками и супесями с легкоразрушаемым»
структурными связями при увлажнении — и другими интенсивно
размокаемыми породами, является специфическим, качественно
отличающимся процессом. Механизм и интенсивность разруше-
ния лёссовых пылеватых пород различны при воздействии на них
водохранилища непосредственно на поверхности склона, фильтра-
ционного потока, величины подпора и градиента подземных вод;
это зависит от состава, структуры, влажности, размокаемости по-
род и уровенного режима водохранилища. Объемы переработки
лёссовых берегов различны; по наблюдениям на Южно-Сурхан-
ском, Ташкентском и других водохранилищах они изменяются от
25—30 до 300—330 м3 на 1 м берега в год. Волновое воздействие
в рассматриваемых случаях имеет подчиненное значение и спо-
собствует в основном удалению быстро размокаемых, оплываю-
щих и обрушающихся глыб пылеватых суглинков. На уступе, в
зоне сработки, энергично развиваются эрозионные промоины,
ускоряя процессы переработки берега, общие размеры которой
могут быть весьма значительны, "так как не обусловлены выра-
боткой отмели. Разрушение лёссовой толщи и берега почти одно-
временно начинается с образования просадочных трещин за
бровкой склона, с размокания и размыва в зоне сопряжения
склона с водохранилищем (см. рис. 12.4 и 12.5 в книге Г. С. Зо-
лотарева «Инженерная геодинамика», 1983).
Активизация просадочных процессов в лёссах непосредствен-
но на уступах водохранилища, на прилегающей площади в пре-1
делах развития подпора грунтовых вод и увеличения общего об-
воднения лёссовой толщи наблюдалась иа водохранилищах Сред-
неазиатских, Днепровских, Волгоградском, Братском и других;
они будут возникать на Днестровских и Северокавкаэских.
Оползни и обвалы на берегах водохранилищ.
Изучение и прогноз оползней, осыпей и обвалов на берегах водо-
199
Рис 5 14 Переработка осыпного склона, сложенного плотными карбонатными
глинами верхней юры на Куйбышевском водохранилище у пос Ундоры (по
Л И Олеховой), см рис 5 12
хранилищ представляют особую инженерно-геологическую зада-
чу. Осыпи и оползни могут быть разных типов, объемов и возни-
кают в различное время после наполнения водохранилища, в за-
висимости от геологического строения и состояния склона, взаи-
модействия с водохранилищем, в первую очередь с его уровенным
режимом. Нестационарный характер переработки обвально-осып-
ных и оползневых склонов отчетливо проявляется во многих рай-
онах водохранилищ на Волге, Енисее, Ангаре, реках Средней
Азии и др. Например, берег Куйбышевского водохранилища у
пос. Ундоры сложен литифицированными карбонатными глинами
верхней юры, плотными, со сцеплением до 0,15—02 МПа и тре-
нием 15—18° (рис. 5 14). В первые 1—2 года рыхлые осыпные,
делювиальные и сильновыветрелые образования (горизонты «А»
и «Б») были увлажнены и размыты волнами. В дальнейшем про-
цесс переработки качественно изменился; его развитие определя-
лось интенсивностью выветривания глин, осыпанием, осовами и
последующим размоканием и размывом смещенных масс. Разуп-
лотнение и выветривание глин, происходящие наиболее интенсив-
но на верху перемещающегося уступа, периодически приводили к
малым (1964, 1974, 1979 гг ) обрушениям и оползням (1984 г),
что связано с климатическими особенностями года.
Оползневые смещения вызывали увеличение объемов перера-
ботки от 10—15 до 75—90 м3/год и более на 1 м берега. Опол-
зень 1984 г. нарушил общую устойчивость склона, вероятно из-за
высоких максимальных скалывающих напряжений (тМакс) в ос-
новании крутого подмываемого уступа 1983 г. при уменьшающей-
ся во времени прочности глин. Во многих районах Куйбышевское
200
го водохранилища в разные годы происходили малые и крупные
оползни разных типов, в том числе: в 1973 г. ниже г. Тетюши
(Татарская АССР) в верхнепермских породах, объемом около
3 млн м3; почти повсеместно в г. Ульяновске в нижнемеловых
глинах как в результате абразионного подмыва в основании
склона, так на средней и верхней частях его вследствие обильно-
го и нерегулируемого полива.
Значительно активизировались крупные оползни в районе
г. Саратова, обусловленные воздействием созданного в 1961 г.
Волгоградского водохранилища, интенсивным техногенным об-
воднением склонов, ранее не имевших запаса устойчивости. На
известном оползне Соколовой Горы после срезки верхней части
склона в целях его стабилизации в 1969 г. возник оползень объ-
емом около 10 млн м3 из-за недоучета влияния водохранилища и
напорных подземных вод. Особо активные оползни отмечены в
1979 г. на участках непосредственно выше центра города объема-
ми от 4 до 8 млн м3; ими были повреждены дачные поселки, до-
роги и другие объекты.
Примером развития оползней на берегах горных водохрани-
лищ являются резко активизировавшиеся Мингчурские оползни
на Чарвакском водохранилище суммарным объемом около
20 млн м3, которые были обусловлены как обводнением склона,
так и возникновением значительного гидродинамического давле-
ния при быстрой (до 1 м/сут) большой (до 70 м) сработке уров-
ней, происходившей неоднократно и превышающей проектную.
Примечательно образование крупных оползней на высоких кру-
тых (45—50°) склонах Красноярского водохранилища в красно-
цветных слоистых трещиноватых прочных песчаниках и алевро-
литах верхнего девона вблизи р. Маны и в других районах. При
заполнении водохранилища (на 100 м) произошли обводнение,
смещение и размыв обломочно-глинистых осыпных отложений и
соответственно увеличилась внизу крутизна склона, а главное,
значительно снизились трение и сцепление по слоистости и по
тектоническим трещинам в затопленной нижней трети склона, что
и обусловило возможность оползания блока пород объемом бо-
лее 1 млн м3 (рис. 5.15). На других участках и в иные годы на
Красноярском, а также на берегах Ангарских водохранилищ не-
однократно возникали различные оползни с захватом берега на
300—500 м. Это свидетельствует о неравномерном, незатухающем
и нестационарном характере процессов переработки обвальных и
оползневых склонов водохранилищ сложного геологического
строения, развивающихся длительное время.
Карст на берегах водохранилищ. Изучение и про-
гноз переработки берегов и прилегающей территории в пределах
карстующихся пород водохранилища представляют особую про-
блему, аналогичную по сложности переформированию склонов с
крупными оползнями. Активизация карстовых процессов, сопро-
вождаемая образованием провальных явлений, наблюдалась в
карбонатно-гипсовых толщах на Камском (И. А. и А. И. Печер-
201
Рис 5 15 Оползень скольжения объемом более I млй м3 по слоистости в де
вонских песчаниках и алевролитах, возникший на 4-й год наполнения Красно
ярского водохранилища
кины), Братском (Г. М.. Пулявский) и других водохранилищах
Интенсивность переработки берегов на Камском водохранилище
оценивается около 40—45 м3/год на 1 м берега. По заполнении
Братского водохранилища в его южной части возникло множест-
во провалов и воронок диаметром от 3—5 до 12—15 м и глуби-
ной от 1 до 10 м, в том числе на участках, где ранее они не были
отмечены и где гипсы перекрыты четвертичными породами зна-
чительной мощности. Пример одной из воронок приведен на
рис. 7.10 в учебнике Г. С. Золотарева «Инженерная геодинами-
ка» (1983); они обычно приурочены к погребенным уступам над-
пойменных террас, бортам погребенных долин, зонам разломов и
повышенной трещиноватости, где имелась значительная погре-
бенная закарстованность. Процессы выщелачивания в породах,
содержащих легкорастворимые компоненты (гипс, соль), и в це-
лом увеличения закарстованности надо оценивать с позиций из-
менения уровенного режима, агрессивности и баланса подземных
вод, механических свойств толщи, возможности возникновения
провалов, оползней и осыпей, усиления волнового размыва и об-
щей активизации переработки берегов.
Геокриогенные процессы. Закономерности перефор-
мирования берегов водохранилищ в районах многолетней мерзло-
ты мало изучены. Опыт наблюдений за формированием и абра
зией на морских и озерных берегах и на единичных водохранили-
щах северо-востока страны позволяет следующим образом опре-
202
делить выявленные и вероятные особенности процессов перера-
ботки берегов;
— мерзлые четвертичные песчаные и суглинистые и тем более
литифицированные глинистые и мергельные породы практически
не размываются волнами; до начала процесса абразии и перера-
ботки они должны оттаять;
— интенсивность и глубина оттаивания пород зависят от их
состава, текстуры, неоднородности и трещиноватости, от тепло-
физических свойств толщи, характера, количества и распределе-
ния льдистости;
— фронт оттаивания пород имеет сложное очертание и раз-
личен в пределах разных частей зоны сработки и ниже УМО, где
протаивание распространится глубже волнового воздействия;
— вслед за протаиванием пород на подводной и надводной
частях берега, особенно в зоне сработки уровней, начнутся ин-
тенсивные процессы оплывания, осыпания, волнового размыва, в
определенных условиях возникнут оползни и другие формы пере-
работки берегов; постепенно сформируется аккумулятивная или
абразионная отмель, по мере удаления масс и нового продвиже-
ния фронта оттаивания;
— существенное влияние на характер, интенсивность и разме-
ры переформирования берегов водохранилищ в районах много-
летней мерзлоты может оказать опережающее вытаивание зале-
жей и жил льда, вызывая хаотические деформации частично или
полностью оттаявших пород, что наблюдалось на Вилюйском во-
дохранилище и даже привело к значительному увеличению его
объема (Кроник, 1980);
— после оттаивания песчаных и суглинистых пород берега и
непосредственно связанных с ними оплывин последующие про-
цессы переформирования будут определяться геологическим
строением, выветриванием, действием фильтрационных и напор-
ных вод и другими особенностями, аналогичными для склонов
внемерзлотных областей;
— прогноз переформирования берегов водохранилищ, созда-
ваемых в криолитозоне, должен основываться на прогнозе во вре-
мени оттаивания толщи пород дна и склона на выбранные сроки
с одновременным определением форм и интенсивности процессов
сноса (размыв, оплывание и т. п.); расчеты продвижения фронта
оттаивания на дне и в склоне в нестационарной системе с про-
цессами собственно переработки берега возможны в случаях, ес-
ли модель этих взаимосвязанных процессов, включая характери-г
стики пород, будет реальной и обоснованной.
Современные геологические процессы. На бере-
гах водохранилищ как на участках, непосредственно примыкаю-
щих к урезу, так и в прилегающих территориях современные гео-
логические процессы влияют на общую интенсивность и характер
переработки; их необходимо оценивать: а) как процессы, обуслов-
ливающие общую денудацию территории и усиливающие перера-
ботку берегов, влияющие на ее особенности, в первую очередь за
203
•счет поступления в водоем селевых, оползневых и других разрых-
ленных масс пород, сопротивляемость волновому размыву кото-
рых будет изменена; б) для учета их роли при составлении про-
гнозной модели процессов на разных стадиях переформирования
берегов водохранилища.
В качестве примера отметим селевые процессы в Средней
Пади на западном берегу Байкала в долинах малых рек и круп-
ных оврагов, впадающих в водохранилище, в пределах террито-
рии, сложенной прочными скальными породами. Обломочные ма-
териалы выносятся селями к урезу водохранилища, из них фор-
мируются наносы и аккумулятивная отмель, симметричная в пла-
не, вытянутая соответственно господствующему волнению. На
смежных участках берега, сложенного неразмываемыми прочны-
ми породами, абразионная и иная их переработка практически
несущественна. Если селевые потоки выносят мелкообломочные
массы непрочных легковыветривающихся пород, песчаный и бо-
лее дисперсный материал, то они в какой-то мере участвуют в
создании аккумулятивных отмелей. На некоторых участках побе-
режья Байкала, на водохранилищах Чарвакском, Красноярском
и других в районах с неразмываемыми абразионными берегами
характерны локальные аккумулятивные формы.
Поступление в водохранилище обвальных и оползневых масс
в зависимости от их объемов, состава, интенсивности волнового и
уровенного режимов может: а) увеличить размеры переработки,
так как размыв волнами разрыхленных увлажненных грунтов бу-
дет более энергичным; б) ускорить образование береговой отме-
ли, на которой будет гаситься энергия волн; в) образовать мысы,
если произошел блоковый оползень или обвал из прочных пород.
Результаты длительных наблюдений за переформированием
берегов существующих горных и равнинных водохранилищ, рас-
положенных в различных геологических регионах, и опубликован-
ные теоретические положения позволяют сделать следующие вы-
воды, важные для понимания закономерностей процессов и со-
вершенствования методов прогноза:
а) процессы переработки берегов в преобладающих случаях
являются нестационарными, характеризуются изменчивостью во
времени и пространстве, механизма и интенсивности, обусловлен-
ной неоднородностью геологического строения, неравномерным
обводнением склонов, возникновением новых геологических явле-
ний, изменениями физико-механических свойств пород и режима
подземных вод в условиях нестационарных уровенного и волново-
го режимов и потоков наносов;
б) реальные волновой и уровенный режимы обычно сущест-
венно отличаются от проектных в связи с изменяющимися в раз-
ные годы потребностями в воде и фактической сменой много- и
маловодных лет; по этим причинам, а также из-за сложности гео-
логического строения берегов прогнозы переработки их являются
всегда ориентировочными, а краткосрочные (3—5 лет) — необос-
нованными; для уточненных прогнозов необходимы материалы на-
204
турных наблюдений, экспериментов и расчетов, которые целесо-
образно выполнять для ответственных случаев проектирования;
в) уровенный режим имеет большее значение в переформиро-
вании берегов водохранилищ, чем это предусматривается во мно-
гих методах прогноза, особенно для глубоких водоемов с извили-
стой береговой линией и со сработкой в десятки метров; здесь
волновой режим играет подчиненную роль и возрастает значение
геологических факторов: выветривания пород в зоне сработки
уровней, режима обводнения склона, гидродинамического давле-
ния, активизации просадочных, оползневых, карстовых и мерз-
лотных процессов;
г) техногенные факторы — различные виды берегоукрепления,
отвалы, утечки и обводнение склона, промышленная и жилая за-
стройка и ионное использование территории — оказывают сущест-
венное положительное или негативное влияние на интенсивность
процессов переформирования берегов;
д) создание «универсального» метода прогноза или расчета
переформирования высоких берегов водохранилищ со сложными
инженерно-геологическими, гидрогеологическими и гидрологиче-
скими условиями нецелесообразно из-за весьма различного их ха-
рактера, интенсивности и изменчивости во времени; применение
«энергетических» и «статистических» методов прогноза перера-
ботки возможно для невысоких берегов с выровненным рельефом
(террасы), сложенных легкоразмываемыми породами, и при уста-
новившемся потоке наносов, т. е. при стационарно-затухающем
режиме процессов.
Ученый-гидролог Н. Е. Кондратьев, автор одного из широко
применяемых методов расчета переформирования берегов, в обзо-
ре по исследованиям берегов водохранилищ (1976) считает, что
статистические методы применимы, когда установлены четкие де-
терминированные связи, и что по использованию при расчетах
стохастических моделей сделаны только первые шаги и прежде-
временно судить о их перспективности. Возможности методов
расчета по детерминированным схемам не исчерпаны, нужны
уточнения оценка факторов и пространственная схема развития
процесса. В сложных и ответственных случаях, при больших де-
формациях следует применять детальные расчеты и моделирова-
ние, основываясь на закономерностях и конкретных факторах
процессов и переформирования берегов водохранилищ в реаль-
ных геологических и гидрологических условиях, учитывая, что на
одном и том же участке с течением времени процессы могут суще-
ственно и качественно меняться по виду, форме и интенсивности,
что техногенные факторы трудно предусмотреть в стохастических
прогнозных моделях.
Методы прогноза должны быть различными: а) применитель-
но к основным литологическим комплексам пород — легкоразмы-
ваемым (пески, супеси); легкоразмокаемым (лёссы); легкораство-
римым (гипсы, соли); легковыветривающимся (литифицирован-
ные глины, алевролиты, мергели, непрочные песчаники и т. п.); к
205
тем же породам, но в мерзлотном состоянии; к трудновыветри-
вающимся и практически неразмываемым (извержение, эффузив-
ные, метаморфизованные карбонатные массивы); б) в зависимо-
сти от характера прогнозируемых геологических процессов на бе-
регах — оползни, осыпи, просадки, карст, оттаивание мерзлоты
и т. п. и в) применительно к новому положению и режиму подзем-
ных вод, определяющих гидродинамическое давление, изменение
прочности и напряженного состояния пород высоких склонов в
условиях эксплуатации водохранилища и действия техногенных
факторов. Многочисленные методы прогноза переработки берегов
равнинных и горных водохранилищ исходят из разных теорети-
ческих предпосылок, в известной мере отражающих направлен-
ность и особенности природной обстановки районов исследова-
ний. В первом приближении методы прогноза переработки бере-
гов водохранилищ могут быть разделены на три группы.
I группа — «энергетические» в различных модификациях, осно-
ванные на предположении, что объемы размыва берегов пропор-
циональны энергии волн с учетом влияния переменных уровней
водохранилища (Кондратьев, 1953; Кондратьев, Григорьева, 1981;
Качугин, Гречищев, Баразашвили, 1983; и т. д.).
II группа — геологического подобия (аналогий) в различных
вариантах, предложенных: Л. Б. Розовским и И. П. Зелинским
(1975), в дальнейшем развитый В. М. Воскобойниковым (1984);
Г. С. Золотаревым (1976, 1979, 1983)—графоаналитический для
берегов сложного строения при нестационарных уровнях; И. А. и
А. И. Печеркиными (1981)—для закарстованных берегов;
Ф. Э. Арэ (1985)—для берегов, сложенных многолетнемерзлыми
породами, и др.
III группа — стохастические, вероятностные, предполагающие
закономерно затухающее развитие процессов, в виде многомерной
регрессивной модели.
Кратко опишем усовершенствованный графоаналитический метод Г. С. Зо-
лотарева, предназначенный для прогнозов процессов в сложных инженерно-гео-
логических условиях для обвально-оползневых склонов и при значительных бы-
стрых сработках уровней .водохранилища. Этот метод предполагает прогноз пе-
реработки по стадиям, соответственно характеру процессов (абразионный раз-
мыв, размокание, выветривание и растворение пород, осыпание, оползание и
т. п.), по рельефу берега, новым гидрогеологическим условиям с применением
показателей свойств пород, изменяющихся во времени и по всему разрезу, и
использованием наиболее вероятных углов отмелей и надводных уступов, уче-
том изменяющегося напряженного состояния для оценки вероятности возникно-
вения оползней на всем склоне или отдельных его частях.
В качестве примера представим модели строения и процессов переработки
высокого склона водохранилища, встречающегося во многих районах (рис. 5.16).
Основание, средняя н верхняя части склона сложены разными породами, различ-
но размываемыми, выветривающимися и сползающими. Выделяются следующие
стадии переработки с различными механизмами процессов, приемами прогноза и
построения нового склона (Золотарев, Рагозин, 1979).
Первая стадия переработки склона в пределах делювиальных и аллювиаль-
ных пылеватых суглинков, которые обводняются, быстро размокают, легко уно-
сятся малыми волнами или течением в периоды сработки-наполнения. Интенсив-
ность переработки берега определяется объемом размокших суглинков за цикл
206
Рис 5 16 Модель прогноза процессов переработки делювиально-оползневого склона водохранилища с переменным уровнем
Процессы переработки по стадиям прогноза I — в пределах зоны НПУ — уровень средневодных лет — обводнение, размо-
кание и оплывание четвертичных пород и унос волнами пылеватых масс, высокая интенсивность, II — в пределах НПУ —
уровень маловодности лет — выветривание, разуплотнение и смещение пород древнего оползня, мела и протерозоя с учетом
влияния подземных вод с нестационарным режимом, существенное замедление интенсивности; III — выявление вероятности
нарушения общей устойчивости склона в совокупности действия всех факторов, проверка расчетами и на моделях нарушения
общей устойчивости склона
1 — делювиальные суглинки, реже супеси, пылеватые, с редкой щебенкой, необводненные (dQiv; dQm+iv), 2 — аллювиальные
пески с гравием (aQiv, aQin) и овражные аллювиально-делювиальные суглинки с почвой (а—dQ2iu), 3 — смещенные пакеты
алевролитов и песчаников протерозоя (PR) и карбонатных пород мела н неогена dpQiii; 4 — известняки неогена (Nitrt),
5 — мергели с кремнем и прослоем песков, сеноман (Кгсш); 6 — алевролиты, аргиллиты н три пачки песчаников, трещино-
ватые — протерозой (PR); ПВ — подземные воды
сработка—наполнение водоема. Данные о размокании грунтов следует заимство-
вать из наблюдений на существующих водохранилищах в примерно аналогичных
породах и гидрологических условиях.
Вторая стадия характеризуется переработкой древних оползневых масс и
несмещенных пород, которые обнажаются в уступе над НПУ и в зоне сработки;
они подвергаются разуплотнению и интенсивному выветриванию при перемен-
ном увлажнении и высыхании, замерзании и оттаивании. Породы склонов бу-
дут испытывать влияние подпора подземных вод и гидродинамического давления
при сработках уровня водохранилища. Для этой стадии типичны процессы осы-
пания, малых обрушений и смыва выветрелых пород, размокание, размыв и
унос смещающихся масс течениями и волнами. Исходные данные для прогноза
заимствуются из наблюдений на существующих водохранилищах в аналогичных
условиях, а также получаются путем лабораторных экспериментов, воспроизво-
дящих процесс разрушения породы. Устойчивость перерабатываемых уступов и
определение объемов возможных локальных оползней можно определить с по-
мощью расчетов.
Прн большой высоте переформирующегося склона с течением времени воз-
можны переход его в запредельное состояние и образование блоковых оползней
выдавливания, консеквентных или сложных типов. Эти процессы характеризуют
третью стадию переработки. Такое состояние склонов можно определить путем
анализа на моделях или расчетами методом конечных элементов при возраста-
ющих напряжениях и сопоставлением их со снижающимися во времени показа-
телями прочности пород, особенно по ослабленным контактам и зонам. Обяза-
телен учет силового взвешивающего воздействия напорных вод в подпоре, со-
держащихся в пачках ниже НПУ, а также гидродинамического давления.
Мелководья и другие явления. На многих водохранилищах рав-
нинно-платформенных областей (реки Волга, Кама, Днестр, Ан-
гара и др.) с малой сработкой уровней возникают обширные мел-
ководья различных типов с площадями от 5—10 до 300—400 км2;
это является прямым материальным ущербом (потеря земель) и
ухудшает санитарно-экологические условия. Мелководьями услов-
но считаются территории водохранилища с глубиной воды до 2 м
от НПУ, обычно осушаемые при сработках, в зависимости от кон-
кретных условий и намечаемого использования и защиты: к мел-
ководьям в отдельных случаях могут быть отнесены площади и с
большей глубиной. Выделяется несколько морфометрических ти-
пов мелководий. Открытые — образующиеся среди водохранилищ
ща на поверхности террас и отделенные от основного берега бо-
лее глубоководной зоной в пределах притыловых и иных пониже-
ний. Наполнение и сток воды из этих мелководий свободный, они
снижают волновое воздействие на берег и его переработку, но
затрудняют судоходство. Прибрежные — возникающие в виде по^
лосы различной ширины на террасах и пологих делювиальных
склонах в приурезовой зоне водохранилища; они защищают бе-
рег от абразионной переработки и в зависимости от рельефа в их
пределах формируются отмели и потоки наносов. Закрытые, наи-
более распространенные и представляющие систему частично со-
общающихся озер и узких протоков разных размеров и глубины,
разделенных незатопленными гривами, валами и другими возвы-
шенностями на поверхностях речных террас. Острова среди по-
добных мелководий обычно подтоплены, заболочены и зарастают
сорной растительностью. Например, на Куйбышевском водохра-
нилище выделяется 21 район с мелководьями, один из которых,
208
3-го типа, наиболее крупный, расположен в верховьях Камского
отрога; его общая длина 50—55 км, ширина изменяется от 2—
3 до 12 км, площадь 300 км2, и сдормировался он в основном в
пределах поймы р. Камы. В верховьях Волгоградского водохра-
нилища на обоих берегах Волги возникло мелководье 3-го и отча-
сти 2-го типов в виде чередования многочисленных озер, прото-
ков, островов и полуостровов на общей площади около 400 км2.
Распространены мелководья на Рыбинском водохранилище.
На Горьковском водохранилище осуществлена («Костромская ни-
зина») инженерная защита.
В южных зонах, где сработка уровней водохранилищ состав-
ляет первые десятки метров, территории временного затопления
должны быть объектом изысканий и осуществления мероприятий
в целях эффективного сельскохозяйственного использования.
В этих районах на мелководьях, огражденных дамбами с водо-
сливами от основного водоема, целесообразно сохранение обвод-
ненного состояния земель для посевов ценных культур. На водо-
хранилищах умеренных и северных областей предотвращение об-
разования мелководий и подтопления преследует цель сохранения
естественного состояния территории посредством трассы проло-
жения защитных дамб, дренажей, участков водосливов и станций
перекачек, для которых необходимо изучить их строение и водо-
проницаемость грунтовой толщи: а) для определения ее деформи-
руемости под массой защитных сооружений; б) для оценки филь-
трации из водохранилища и определения типа, параметров и глу-
бины заложения придамбового дренажа и осушительной сети.
Торфяные сплавины. На водохранилищах северных и
умеренных областей в пределах затопленных низких террас,
пойм и озерно-ледниковых котловин, содержащих залежи торфа,
нередко возникают торфяные сплавины разных размеров и тол-
щины. Всплывание торфа обусловлено объемной массой залежи,
газовыделениями, условиями залегания и мощности торфа, смер-
занием со льдом, наличием или отсутствием пригружающего слоя
намытых минеральных масс. Крупные торфяные сплавины разру-
шаются волнами, загрязняют водоем, мешают судоходству и во-
дозаборным сооружениям, а также забивают водоводы к турби-
нам ГЭС и другим сооружениям. В книге «Водохранилища...»
(1986, с. 111) указывается, что на Нарвском водохранилище й
1976 г. общая площадь всплывших торфяников составила 37 км2,
а. размеры плавающих островов достигали многих сотен метров.
В задачи изысканий в районах проектируемых водохранилищ
должны входить выявление и разведка торфяных залежей, харак-
теристика их свойств для обоснования решений о разработке или
их пригрузке для предотвращения всплывания.
Создание водохранилищ приводит и к другим негативным яв-
лениям, например к подтоплению и затоплению месторождений
угольных (в Хакасии), рудных (Горевское, в устье Ангары), по-
всеместно строительных материалов (пески, гравий, суглинки, ка-
мень), минеральных вод и нефтяных залежей (долина Камы)
209
и т. д. Воздействие подпора подземных вод на усложнение отра-
ботки месторождений полезных ископаемых представляет особую
задачу комплексных изысканий, проводимых по отдельной про-
грамме, обычно на стадиях ТЭО и Проекта с рабочей документа-
цией. Иногда сложность инженерной защиты территории ценного
месторождения от затопления и подтопления вынуждает прора-
батывать варианты снижения НПУ водохранилища изменением
створа гидроузла, проложением деривационного канала и т. п.
Это существенно усложняет строительство.
Водохранилища с большими глубинами и сработками уров-
ней, расположенные в горных и предгорных сейсмически актив-
ных районах, вызывают изменение режима и интенсивности сей-
смичности, появление «наведенных» (возбужденных) землетрясе-
ний. Эти вопросы рассмотрены в 4-й главе учебника Г. С. Золо-
тарева «Инженерная геодинамика» (1983). Надо подчеркнуть, что
.характерной особенностью «наведенных» землетрясений, которым
посвящена обширная литература, является увеличение их коли-
чества, но с меньшей интенсивностью по сравнению с фоновой.
Их воздействие в различной степени может отразиться на уплот-
нении земляных сооружений гидроузла, на общей трещиновато-
сти массивов пород и, следовательно, на распространенном изме-
нении фильтрационных потоков, на устойчивости подтопленных
склонов у плотины и в пределах водохранилища. Названные про-
цессы и явления изучаются и прогнозируются как при проекти-
ровании гидроузла, так и обязательно при его эксплуатации.
Инженерная защита берегов водохранилищ, земель и сооруже-
ний; вопросы экологии. Создание крупных водохранилищ сущест-
венно изменяет природную обстановку, хозяйственную деятель-
ность, жизнь населения и вызывает большие материальные за-
траты на защиту от негативных последствий и восполнение ущер-
ба, размеры которых в освоенных районах достигают 30—50% от
стоимости гидроузла («Водохранилища...», 1986). Инженерная
защита побережья водохранилищ, в том числе земель, сооруже-
ний и городов от подтопления, мелководий, переформирования
берегов и других возникающих процессов, а также строительство
новых населенных пунктов, дорог, сельских и других предприя-
тий, вынесенных из зон затопления и разрушения берегов, тре-
буют продуманных решений и соответствующего инженерно-гео-
логического, гидрогеологического, климато-гидрологического обос-
нования с учетом социально-экологических факторов. Принципи-
альные вопросы: а) по инженерной, защите берегов, поселков, го-
родов и сооружений, на них находящихся, от негативных геоло-
гических процессов; б) по реконструкции существующих и новых
объектов, населенных пунктов, транспорта на территории, приле-
гающей к водохранилищу; в) по рациональному использованию
месторождений полезных ископаемых, земель, лесов и общему
развитию народного хозяйства с обоснованным определением за-
трат; г) по выбору мест и мероприятий по переносу из зон затоп-
ления и разрушительного воздействия водохранилища памятни-
210
ков истории, архитектуры и других объектов, имеющих общена-
родное значение, — должны решаться на стадии ТЭО проектиро-
вания гидроузла и водохранилища. Комплексные изыскания на
стадии ТЭО должны быть достаточными для вариантного рас-
смотрения мероприятий инженерной и иной защиты, рациональ-
ного использования территории и решения задач экологии, в за-
висимости от характера и скорости разрушения берегов, населен-
ных пунктов и различных объектов, защита которых нередко
сложна и экономически нецелесообразна, учитывая социально-
экологические факторы.
На последующих стадиях комплексные изыскания проводятся
на отдельных участках, выбранных на стадии ТЭО, где будут
осуществляться защитные инженерные, лесомелиоративные и
иные мероприятия. Содержание и методика изысканий определя-
ются сложностью инженерно-геологических, гидрогеологических
и гидрологических условий, характером возникших негативных
процессов и системой защитных мероприятий, на которые влияют
ценность объектов, типы и классы сооружений.
Особенностями осуществления защитных мероприятий на
крупных водохранилищах, а следовательно, их проектирования и
инженерно-геологического обоснования является то, что принятые
решения на стадиях ТЭО и Проекта необходимо пересматривать
и уточнять к периоду сдачи гидроузла в эксплуатацию. Нередка
строительство основных сооружений гидроузла по разным причи-
нам продолжается 15—20 лет; за это время освоенность берегов!
будущего водохранилища и инженерно-геологические условия
обычно изменяются и требуются дополнительные защитные меро-
приятия.
Комплексные изыскания на стадии ТЭО предназначены для
принципиального обоснования:
— генеральной схемы инженерной защиты от негативных ин-
женерно-геологических и гидрогеологических процессов всех тер-
риторий, тяготеющих к водохранилищу, включая мелководья, в
целях их рационального использования, сохранения населенных
пунктов, исторических памятников и различных объектов и умень-
шения ущерба, вызванного созданием водохранилища;
— проектов районных планировок, реконструкции сельскохо-
зяйственных территорий, развития населенных пунктов, местной
промышленности и дорог в зоне водохранилища;
— детальных схем и вариантных проработках инженерной за-
щиты освоенных территорий, имеющих значительную ценность,
которая обусловливает необходимость ее осуществления;
— проектных проработок в виде схем мероприятий, опреде-
ляющих целесообразность полного или частичного, рассредото-
ченного во времени, переноса или инженерной защиты зданий,
населенных пунктов или местных промпредприятий, а также эф-
фективность облегченной защиты.
Инженерная защита побережья крупных водохранилищ от
вызванных ими негативных геологических процессов должна)
211
быть комплексной, учитывать существующее и перспективное ис-
пользование территорий и экологические вопросы и включает сле-
дующие мероприятия:
1) обвалование мелководий и систему открытой и закрытой
сети дренажей как на огражденной территории, так и на сопря-
женных с нею площадях подтопления земельных и лесных уго-
дий, а также на участках сельских населенных пунктов и пром-
объектов;
2) дренажи разных типов, глубин заложения и назначения для
защиты от подпора подземных вод городских и промышленных
территорий, месторождений полезных ископаемых, потенциально
неустойчивых оползневых склонов, опасных закарстованных и
просадочных лёссовых массивов и т. п.;
3) организацию стока ливневых и снеговых вод в сочетании с
мерами по предупреждению овражной эрозии на освоенных и
осваиваемых территориях, прилегающих к водохранилищу;
4) берегозащиту от непосредственного волнового и эрозионно-
го размывов, сохранение наносов и искусственных отсыпок пес-
чано-галечниковых масс как волногасящего компонента защиты;
5) мероприятия особого назначения и характера, если на бе-
регах имеются действующие или прогнозируются активизация
крупных оползней, карстовых и просадочных в лёссах процессов,
интенсивное развитие мерзлотно-геологических явлений.
Территория водохранилища и прилегающее к нему побережье
должны быть разрайонированы по инженерно-геологическим ус-
ловиям до создания водоема и по развитию негативных процес-
сов для обоснованного назначения комплекса защитных меро-
приятий.
В качестве примера решения разнообразных задач инженер-
ной защиты территории крупных водохранилищ на равнинной ре-
ке можно привести Чебоксарское водохранилище, созданием ко-
торого завершается Волжский каскад ГЭС. Новые взгляды и
требования на рациональность защиты земель, населенных пунк-
тов, городов, экологию, сохранение памятников истории обусло-
вили разработку расширенной генеральной схемы инженерной
защиты, общая стоимость которой составляет более половины
стоимости строительства гидроузла. Особо сложными объектами
защиты от подтопления и переработки являются территории го-
родов Горького и Чебоксар с тяготеющими к ним жилыми про-
мышленными комплексами. Кроме них объектами защиты явля-
ются также города Козьмодемьянск, Васильсурск, многие круп-
ные населенные пункты и исторический Макарьевский мона-
стырь, «сельскохозяйственные низины» значительных площадей.
При осуществлении инженерной защиты выявились ошибки в
ранних проектных решениях и недостаточность обоснования изыс-
кательскими материалами, длительные сроки строительства, уве-
личение застройки и изменение отметки НПУ обусловили необхо-
димость уточнения прогнозов подтопления, переработки берегов
и других процессов, а также пересмотр размеров ущерба и стои-
212
мостей защиты от негативных явлений. Было решено задержать
наполнение водохранилища до завершения инженерной защите
г. Горького и других объектов. Проектирование, дополнительние
изыскания в связи с изменением условий и осуществление защит-
ных мероприятий должны быть закончены к моменту передачи
водохранилища в эксплуатацию с организацией стационаров для
проведения длительних наблюдений за развитием негативных
процессов, изменением геологической среды и эффективностью
защиты.
Задачи изысканий в районах водохранилища.
Комплексные исследования—инженерно-геологические, гидрогеоч
логические, инженерно-гидрологические и эколого-экономиче-
ские— необходимо выполнять по взаимоувязанным программам,
постадийно, целенаправленно и в оптимальных объемах для оцен-
ки современного состояния геологической среды, прогноза ее из-
менения и возникновения негативных процессов и для обоснова-
ния инженерной защиты берегов, переустройства хозяйственной
деятельности и жизни населения. Следует различать изыскания
на стадиях проектирования, создания водохранилища и в период
его эксплуатации. Во втором случае главными задачами являют-
ся проверка и уточнение прогнозов изменения геологической сре-
ды и обоснование дополнительных мероприятий по обеспечению
устойчивости сооружений, по инженерной защите и рационально-
му использованию побережья водохранилища.
Задачи, содержание (виды, объемы) инженерно-геологических
и гидрогеологических изысканий, последовательность их выпол-
нения в районах проектируемых водохранилищ определяются:
а) сложностью геологической среды и рельефа побережья, ха-
рактером и интенсивностью возникающих инженерно-геологиче-
ских процессов, оцениваемых как по всему водохранилищу, так и
на отдельных участках;
б) народнохозяйственным значением используемых и перспек-
тивно-осваиваемых территорий, на которых система и осущест-
вление защитных мероприятий будут различными; целесообразно
различать участки (иногда районы): первой группы, защита кото-
рых обязательна и обусловлена экономическими и социальными
факторами,—это города, промобъекты, транспортные узлы, круп-
ные ценные сельскохозяйственные угодья («низины»), архитек-
турно-исторические памятники и т. п.; второй группы — это круп-
ные населенные пункты, местная промышленность, приречные
склады и т. п., для которых полный и частичный перенос зданий
или объекта, объем и время выполнения защитных мероприятий
решаются на основе данных изысканий на стадии ТЭО; третьей
группы — это малые населенные пункты, разрозненные и малой
площади мелководья и подтопленные земли, местные дороги, ли-
нии связи и т. п., для которых осуществление обычно сложной
инженерной защиты по экономическим и-экологическим причинам
нецелесообразно, а необходимо лишь охарактеризовать во време-
ни, размеры переработки, подтопления, просадок и других про-
213
цессов для обоснования сроков постепенного переноса зданий Щ
иных объектов из зон вероятного разрушения;
в) характером и интенсивностью воздействия на берега кли-
мато-гидрологических факторов водохранилищ — его уровенным
и волновым режимами, течениями, образованием и перемеще-
нием наносов и т. д.;
г) стадиями проектирования и изысканий — Схема комплекс-
ного использования реки, ТЭО, Проект с рабочей документацией.
На каждой стадии изысканий в зависимости от особенностей
геологической среды и характера воздействия проектируемого во-
дохранилища изучаются и оцениваются с разной детальностью
вопросы, сформулированные в начале § 3 настоящей главы. При
выполнении изысканий используются все виды полевых и экспе-
риментальных инженерно-геологических работ, четко ориентиро-
ванных иа поставленную задачу. Особое внимание должно быть
уделено инженерно-геологическим съемкам разного масштаба, на
основе которых создаются геологические гипотезы процессов и
изменения среды, целеустремленно разрабатываемые в дальней-
шем с помощью разведочных и опытных работ, режимных наблю-
дений, экспериментальных и теоретических исследований с после-
дующей их проверкой после создания водохранилища.
Выполнение отдельных видов гидрогеологических и инженер-
но-геологических работ, рекомендации по составу и объему изыс-
каний и иные нормативные указания изложены в инструкциях,
пособиях и руководствах, изданных Институтом Гидропроект
в 1986 г. и в предшествующие годы (см. список литературы). По
сложности инженерно-геологических и гидрогеологических усло-
вий, включая характер и интенсивность возникающих на берегах
водохранилищ процессов, различают три категории: I — весьма
сложные, II — сложные и III — относительно простые (неслож-
ные). Глубокие водохранилища (100—300 м) в горно-складчатых
областях, а также в платформенных районах с активными ополз-
нями, карстом, просадками, с нестационарным уровенным режи-
мом в разные по водности периоды и сработками в и-10 м, высо-
кие берега которых сложены разнообразными породами, обычно
характеризуются сложными и весьма сложными условиями. Во-
дохранилища, создаваемые на реках равнин, со сработкой уров-
ней в первые метры и закономерным волновым воздействием,
с преобладающим распространением относительно однородных
песчаных и глинистых отложений, с невысокими берегами и прос-
тыми гидрогеологическими условиями, с закономерными и неин-
тенсивными процессами чаще относятся к районам с неслож-
ными условиями.
Общие рекомендации по детальности инженерно-геологических
изысканий. При определении оптимального состава и объемов
инженерно-геологических изысканий следует исходить из основных
принципов, изложенных в главе I, а также в «Рекомендациях...»
Гидропроекта (1986), преследуя главную цель — их эффектив-
ность, достоверное обоснование проектирования и строительства
214
намеченных сооружений, включая социально-экологические зада-
чи. Ввиду разнообразия геологической среды, проектируемых со-
оружений и способов их возведения целесообразно сформулиро-
вать только общие рекомендации по детальности изысканий,
исходя из имеющегося опыта. Конкретные задачи, виды, объемы
и последовательность выполнения изыскательских работ должны
определяться индивидуальной программой, уточняемой в процес-
се ее осуществления. Основные результаты изысканий представ-
ляются в различных документах, в первую очередь в инженерно-
геологических разрезах и картах разных масштабов, составление
которых базируется в значительной степени на данных инженер-
но-геологических съемок. Поэтому можно характеризовать деталь-
ность инженерно-геологических изысканий на разных стадиях че-
рез масштабы отчетных карт, имея в виду, что на них обобщают-
ся итоги съемочных, разведочных, опытных, режимных и других
работ. Для сопоставления рекомендации по детальности инженер-
но-геологических изысканий, проводимых для обоснования проек-
тирования основных сооружений гидроузлов, в общем виде пред-
ставлены в табл. 5.4.
Инженерно-геологические съемки, проводимые в районах на-
мечаемого гидротехнического строительства, являются практичес-
ки на всех стадиях изысканий одним из основных видов работ;
их содержание, целенаправленность и масштабы обусловлены
сложностью геологической среды и поставленными задачами. На-
пример, если надо детально охарактеризовать тектоническую и
литологическую трещиноватость массива или строение и свойства
пород зон выветривания в основании и примыканиях плотины или
степень оползневой, обвальной и карстовой опасности, то направ-
ленность и приемы картирования, характер, объемы и размещение
разведочных и других работ, сопровождающих съемку, будут не-
сколько разными. Имеются различные виды инженерно-геологи-
ческих съемок, особенности которых определяются их целями при
сохранении основных методических требований к ним; общие ре-
комендации по инженерно-геологическому картированию рассмот-
рены в главе II. Обязательно проведение всех видов инженерно-
геологического картирования на основе широкого использования
аэро-, космо- и фототеодолитных снимков, а в необходимых слу-
чаях-повторных съемок специального назначения.
Практика изысканий и проектирования, серьезные ошибки,
имевшиеся при выборе места, типов сооружений, и их социально-
экономическая целесообразность убедительно показали решающее
значение ТЭО, в связи с чем задачи, виды и объемы инженерно-
геологических исследований на этой стадии усложнились и суще-
ственно возросли. На стадии ТЭО необходимо выполнять в зна-
чительных объемах разведочные разнообразные геофизические и
опытные работы, режимные наблюдения за геологическими про-
цессами и подземными водами.
Большое значение на стадии ТЭО имеют разнообразные гео-
физические (сейсмоакустические, электроразведочные и др.) ме-
215
ьэ Таблица 5.4
05 Рекомендуемые масштабы (детальность) инжеверно-геологическнх съемок и карт по районам гидроузлов и водохранилищ
Стадии изысканий 1 Сложность ииженерно- геологн- ческих условий Гидроузлы ГАЭС Водохранилища
Плотины» ГЭС, НСУ, шлюзы дерива- ционные сооружения трубопроводы, 1-я группа: все ГОРОДА районы промобъекты, к «низины» и др. 2-я группа: круп, насел, пункты, мест- ная промышл., с.-х. земли н т. п. 3-я группа: сельские поселки, дороги и т. п.
бетонные каменно- земляные назем- НОД" ные зем" ные
Схема использования реки 1 I — весьма сложные инженерно-геологические (ИГ) съемки: 1:100 000 по всей долине и 1:25 000— 1:10 000 на типовых участках раз- мещения ИГ съемки 1:25000 ИГ съемки 1:50 000, врезки 1:5000 маршрут- ное обсле- дование, per. прогноз процессов, выявление типов участков предвари- тельные о о обследо- § о вания 23 1:25 000 — 1:10000 для оценки и состав- ления выборочный осмотр типовых участков, составление программы изысканий общее ознаком- ление при марш- рутном обследо- вании
II —слож- ные
III — отн. простые (несложные) то же, 1:200 000 и врез- ки 1:25 000 то же 1:100 000 и врезки 1:10 000 11 pul р<1ММЫ изысканий 8§ О о о о о о 04 1Л «—И
I ТЭО 1 I — весьма сложные ИГ съемки 1:5000, разведка вариантов створа, 1:2000 то же 1:10 000 ИГ съемка 1:10 000 детализа- ция 1:25 000 ИГ съемки и разведка 1:5000; 1:2000 на вариантных участках то же 1:10 000— 1:5 000 иг съемки 1:25000 ИГ съемки 1:5 000 — 2 000 ИГ съемки 1:10 000 1:25 000 иг съемки 1:25000
II — слож- ные
III — не- сложные то же 1:100 000 1:200 000 то же 1:10000 то же 1:25 000
ИГ съемка 1:25 000 с врезками 1:5 000 вари- антов створа
Проект | I — весьма сложные комплеь 1:1000— 1:500 :с работ 1:2000 ИГ съемки по трассе 1:50(Х), на участках Порталов 1:2000 комплекс работ уточнение карт и прогнозов (на картах) тех же масштабов по данным с участков 1:1000 1:2000 уточне- ние прогно- зов и сроков переноса объектов
II — слож- ные 1:2000 1:5000— 1:2000 1:1000—1:2000 1:2000 1:5000
III — не- сложные 1:5000 то же 1:10 000 1:2000 1:5000 1:10 000
ZI5 Строительство и раб. документ.! I; II и III отражевие на составленных картах и разрезах по данным комплексных наблюдений по специальной про- грамме: а) достоверности прогнозов и оценок; б) из- менения геологической среды под воздействием строи- тельных работ; в) обоснование изменения [конструк- ций сооружений и дополнительных укрепительных ме- роприятий уточнение прогнозов инженерно-геологических про- цессов и защитных мероприятий из-за изменения ^при- родных условий и освоенности территорий
тоды разведки и исследования как для изучения особенностей
геологического строения, так и для решения специфических задач
по общей характеристике: плотности, механических свойств и
напряженного состояния массивов пород; распределения и дви-
жения подземных вод и др. Обязательным условием эффективно-
сти инженерно-геологической интерпретации данных геофизичес-
ких исследований должно быть получение «эталонных» разрезов
пород путем одновременного опробования их геологическими и
геофизическими методами и совместное дешифрирование резуль-
татов. Различные геофизические исследования следует широко
применять на стадиях. Схемы и Проекта; их конкретные задачи и
методы должны исходить из общей программы изысканий.
$ 4. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ КРУПНЫХ КАНАЛОВ
РАЗНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
По основному назначению крупные каналы подразделяются на:
транспортные (судоходные); ирригационные (магистральные н
разводящие); водоводные для водоснабжения городов, промобъ-
ектов и т. п.; деривационные и отводные при ГЭС. Протяжен-
ность, размеры и другие характеристики каналов различны и
обусловлены назначением и расходами протекающих в них вод.
Чаще каналы предназначены для решения нескольких проблем,
например транспортных и водоснабжения (Москва — Волга
и др.), ирригационной, водоснабжения и энергетической (Боль-
шой Ставропольский) и т. д. Крупные каналы совместно с пло-
тинами, водохранилищами, шлюзами, дюкерами, акведуками,
дамбами, насыпями и выемками образуют сложный комплекс
гидротехнических сооружений, едино проектируемый, строящийся
и эксплуатируемый. В соответствии с особенностями геологичес-
кой среды, рельефом, комплексом сооружений, стадией проекти-
рования и возможными экологическими последствиями разраба-
тывается объединенная программа инженерно-геологических изыс-
каний, состоящая из нескольких частей. Для общего представле-
ния о типах и параметрах крупных каналов, взаимодействующих
с геологической средой, о возникающих негативных процессах и
для понимания задач изысканий в табл. 5.5 приведены данные по
нескольким каналам.
Инженерно-геологические явления на каналах и их изучение.
Крупные протяженные каналы являются сложными гидротехни-
ческими сооружениями, многопланово и существенно взаимодей-
ствующими с геологической средой, значительно изменяющими
ее, нередко в негативном отношении. Трассы каналов, их выемки
и насыпи совместно с плотинами, водохранилищами, насосными
станциями и дюкерами рассматриваются при изысканиях как
единый комплекс сооружений (см. табл. 5.5) с задачами инже-
нерно-геологического обоснования выбора месторасположения
объектов, оценки основных компонентов геологической среды,
218
прогноза неблагоприятных процессов и инженерной защиты от
их опасного воздействия на территорию и сооружения.
Главнейшим фактором, различно воздействующим на измене-
ния геологической среды в районах проложения крупных каналов,
являются подземные воды, существующие и вновь формируемые.
Выемки каналов, особенно глубокие (30—40 м), вскрывая водо-
носные горизонты, являются дренами и причиной образования
в откосах повышенного гидродинамического давления и их неус-
тойчивости.
Подпор грунтовых вод, подтопление и фильт-
рационные потери. При продолжении каналов в безвод-
ных галечнико-песчаных, глинистых и лёссовых грунтах или
в высоких насыпях в зависимости от особенностей геологического
строения происходит обводнение толщ, возникают процессы
разрушения и изменения свойств пород, формируется новый тех-
ногенный водоносный горизонт или существенно изменяются уров-
ни, минерализация и режим существующих грунтовых вод. Их
подпор, фильтрация из каналов часто вызывают подтопление и
связанное с ним вторичное засоление почв и другие негативные
процессы. Утечки воды из каналов (иногда до 30—35%) надо
рассматривать как прямой материальный ущерб.
Инженерно-геологические процессы на каналах разнообразны,
обусловлены взаимовлиянием особенностей геологической среды
с движущимися водными массами в каналах и сооружениями на
них расположенными. К наиболее распространенным процессам
относятся:
— размывы оснований откосов каналов волнами от судов, а
на широких плесах ветровыми волнами, а также течениями со
скоростями до 1—1,5 м/с, что приводит к образованию в зависи-
мости от состава пород откосов, их высоты и степени обводнения
к различным деформациям — осыпанию, осовам, малым и круп-
ным оползням-, известны значительные оползни на откосах Волго-
Балтийского канала на участках вреза в песчано-глинистые водо-
насыщенные ледниковые и плиоценовые отложения, а также
оползни исключительно больших объемов (около 400 тыс. м3 на
1 м длины канала) на Панамском канале (см. книгу Г. С. Золо-
тарева «Инженерная геодинамика», 1983, с. 207); возникновению
оползней на откосах выемок каналов способствуют процессы
разуплотнения и выветривания пород, выщелачивания и размока-
ния (особенно в аридных областях);
— просадки в лёссах как в пределах канала, так и на приле-
гающей территории в зоне развития подпора грунтовых вод (воз-
можные гидродинамические схемы фильтрации из каналов в об-
щем виде представлены на рис. 12.3 учебника «Инженерная гео-
динамика», 1983); процессы просадочности при фильтрации воды
из каналов являются нестационарными; величины и распростра-
нение просадок весьма неодинаковы, зависят от коэффициента
просадочности лёссов (изменяющегося по глубине толщи от влаж-
ности, плотности, природного давления, прочности структурных
219
Характеристика существующих и
Название н год создания Назначение Длина, км Расходы, м»/с Скорость течения средняя, м/с
Большой Ставропольский; забор воды из р. Кубань, 1970 водоснабжение КМВ и др.; 4 ГЭС 460 от 5 до 180 0,95-1,44
Волго-Балтийский водный путь, 1974 транспортное 361 (общая длина ВБВП)
Каракумский 1971 г., за- вершается строительство IV очереди ирригационное, частично судо- ходное (малый флот) 1—395 II—535 III—837 IV—1295 130 198 317 578 преоблад. 0,6—0,8 редко 1,4
Габчиковский у г. Брати- славы, ЧСФР, строится транспортное, энергетическое, ирригационное 17 и 8 (отводной) 4000, макс. 5200 1,0
Волго-Донской водный путь, 1956 судоходство 101
Таблица 5.5
строящихся крупных каналов
Фильтрацион- ные потерн Объемы работ, мли. м3 грунтов Негативные процессы Другие сооружения
от 40 до 125 л/с иа п-км на разных участках и при разных уровнях — подмывы откосов, уступы от 0,5 до 3,5 м; — оползни локальные; — подпор грутовых вод и про- садки в лессах; — подтопление
участками значительная 64 — оползни на откосах каналов в глинах неогена; выемки до 40 м; — фильтрация в закарстован. известняки; — подмывы, волны до 1 м — 7 шлюзов, пло- тин и водохра- нилищ; — насосные стан- ции; — Свирская ГЭС
в начале экс- плуатации зна- чительная, до 30—40% на отдельных участках; в дальнейшем снижение потерь вдвое 532 — подмывы откосов, осыпание и особы песчаных масс; зарас- тание камышом уменьшает размыв; — подтопление в результате фильтрации и последующее засоле ние; — меандрироваиие русла, обра- зование кос; — развевание откосов шлюзы — 2; мосты — 44; дюкеры — 13; акведуки — 4; насосные стан- ции и др.
ожидаемая значительная фильтрация и подтопление предотвращаются сложной защитой на конце канала ГЭС мощностью 780 тыс. квТ и шлюз для круп- ных судов
! 1-й год— 485 тыс. м3/сут 3-й год— 260 тыс. м3/сут 150 — подпор грунтовых вод, под- топление и просадки в лес- сах; —фильтрация из каналов; — осадки отдельных элементов шлюзов — 90 шлюзов на Волжском и 3 на Донском скло- нах, плотины и водохранилища; — насосные стан- ции
связей и т. п.) и от неравномерного дополнительного обводнения;
развитие просадочности в лёссовых толщах, вследствие которой
разрушаются их прочность, текстура и возникают трещины, уси-
ливающие инфильтрационное увлажнение, может существенно
способствовать возникновению оползней и активизации эрозион-
ного размыва в каналах;
— суффозия (механическая) и выщелачивание; при возникно-
вении значительных градиентов (icp>0,l—0,2) фильтрационных
потоков из каналов в мелко-тонкозернистых песках или пылева-
тых суглинках рыхлого сложения неоднократно наблюдались
(например, на участке первой очереди Каракумского канала)
высачивание вод в основании внешних высоких откосов дамб,
вынос мельчайших частиц и малые оплывины. На откосах глубо-
ких выемок, особенно при вскрытии водонасыщенных плывунов,
создаются условия для их выплывания, иногда выпора в дне и
в основании откосов канала под влиянием гидродинамических сил
220
221
и напряжений от массы пород; к особым процессам надо отнести
вмывание песчано-глинистых масс, слагающих дно канала или его
водоема, в подстилающие фильтрующие гравийно-галечниковые,
-закарстованные или сильнотрещиноватые породы под давлением
фильтрационного потока; сходные явления (сообщение Ф. А. Но-
восельского) имели место в 1978 г. на канале с прудами-накопите-
лями, отводящем соленые воды из шахт в Кривом Роге, на ко-
торых в тальвегах сухих балок образовались многочисленные
провальные воронки, при подъеме воды до 15—16 м и при зале-
гании уровня подземных вод на глубине 10 м от дна балки;
— перемещение и аккумуляция наносов, меандрирование рус-
ла канала-, большие скорости течения и волны в каналах, наличие
легкоразмываемых песков, лёссов и других суглинистых грунтов,
изгибы трассы канала и наличие озеровидных понижений обус-
ловливают значительные объемы размыва, переноса и образова-
ния аккумулятивных форм — кос, ила и т. п.; эрозионно-русловые
процессы замедляются зарослями камыша, интенсивно растущего
в южных районах; объем наносоочистных работ по Каракумскому
каналу с учетом поступления наносов из Амударьи и устройством
специальных перехватывающих отстойников достигал 31 млн м3
в год; на головном участке Большого Ставропольского канала
расходы взвешенных наносов составляли от 800 до 3000 т в сутки.
Основные инженерно-геологические и гидрогеологические за-
дачи изысканий трасс каналов и сооружений на них неразрывно
связаны между собой на всех стадиях, но детальность их разра-
ботки, состав, виды и объемы работ существенно различаются.
Центральным является прогноз инженерно-геологических и гидро-
геологических процессов как для всей трассы канала, так для
типичных и освоенных участков в целях выбора рационального
направления трассы, обоснования конструкции и крепления кана-
лов, эффективных инженерных мероприятий по борьбе с фильтра-
цией и другими негативными явлениями.
Размещение и параметры плотин и водохранилищ определя-
ются целевым назначением канала, рельефом и инженерно-геоло-
гическими условиями трассы; задачи и выполнение изысканий
для них рассмотрены в предыдущих разделах главы. Выбор пло-
щадок для насосных станций, дюкеров, авто- и железнодорожных
мостов, пристаней, поселков и промобъектов, связанных с эксплу-
атацией канала, определяется общими компоновочными причина-
ми. Инженерно-геологические изыскания для обоснования их про-
ектирования и строительства проводятся по методикам, рассмот-
ренным в соответствующих главах настоящего учебника. Следует
иметь в виду, что направления магистральных каналов определя-
ются на стадии ТЭО при сопоставлении вариантов, и поэтому
допустимо, что изыскания на вспомогательных участках и объек-
тах, которые не влияют на принципиальные решения по выбору
трассы, могут проводиться по сокращенным программам.
Опыт проведения изысканий по некоторым крупным каналам
и общие вопросы методики. Каждый новый крупный гидротехни-
222
ческий комплекс не дублирует предшествующих, так как нет
тождественности ни в инженерно-геологических условиях, ни
в назначении и параметрах проектируемых сооружений. В мето-
дическом плане весьма ценны опыт и результаты проведенных
изысканий, анализ их методик, состава и объемов работ, в связи
с чем рассмотрим некоторые, наиболее интересные примеры из
разных регионов.
Рис. 517 Схема гидротехнического комплекса «Габчиково» на р Дунае у
г. Братиславы (по материалам М. Матулы, 1984).
А. Схема размещения сооружений. 1 — водозаборная плотина высотой 12 м
На р Дунае, с водосливом у с. Шаморнн; 2 — водохранилище, 3 — дериваци-
онный канал длиной 17 км, с расходом воды 4000 м3/с; 4 — плотина с^ двухка-
мерным шлюзом и ГЭС мощностью 780 м у с. Габчиково, 5 — отводной канал
длиной 8 км; 6 — спрямленные и углубленные русла Дуная
Б, Поперечный профиль деривационного канала: 1 — дамбы из уплотненного
гравия и крупного песка, 2 — асфальтобетонное покрытие откосов дамбы тол-
щиной 20 см, 3 — слой водонепроницаемого бетона на гравийной подготовке;
4 — дренажная канава
В. Схематический разрез по оси плотины Габчиково- 1 — аллювий р Дуная —
галечники с песками, мощностью более 3100 м, 2 — линзы торфа, 3 — суглинки,
Пойменная фацня, 4 — насыпь нз гравия, инъекционные- 5 — стены и 6 —
ступенчатая плнта, созданные в толще галечников для уменьшения притока вод
в котлованы здания ГЭС и шлюзы и снятия гидродинамического давления
223
Гидротехнический комплекс «Габчиково» в
Словакии (ЧСФР). По материалам М. Матулы (1984) и
института Гидроконсульт, переработанным для учебника П. Ваг-
нером, строящийся комплекс «Габчиково» расположен на левом
берегу Дуная непосредственно ниже г. Братиславы. Развитие судо-
ходства по Дунаю затруднялось малыми глубинами и перекатами
ниже Братиславы, а при высоких паводках затапливались огром-
ные площади сельскохозяйственных земель и поселки Словакии и
Венгрии. Например, в 1954 и 1965 гг. затапливалась территория
в 850 км2 с 54 поселками; эвакуировалось свыше 50 тыс. жите-
лей. Был разработан проект и осуществляется строительство
(рис. 5.17) судоходного канала длиной 17 км, в который посту-
пают воды Дуная с расходом 4000 м3/с и максимальным
5200 м3/с от водозаборной 12-метровой плотины вблизи п. Шамо-
рин; канал снимает угрозу затопления при паводках и обеспечи-
вает судоходство. Канал проложен в дамбах высотой до 18—20 м,
отсыпанных из уплотненного песчано-гравийного грунта; внутрен-
ние откосы каналов защищены от фильтрации пленкой по дну
канала и от судовых волн 20-сантиметровым асфальтобетонным
покрытием, лежащим на 40-сантиметровом песчаном маловодо-
проницаемом слое. Глубина канала в голове 7,3 м и в конце до
14 м; ширина дна канала с противофильтрационным покрытием
изменяется от 267 до 737 м. Пассажирские и грузовые суда будут
пропускаться по каналу и через два шлюза у г. Габчиково; созда-
ются также плотина и ГЭС мощностью 720 МВт. Ниже гидроузла
прокладывается 8-километровый отводной судоходный канал до
Дуная, русло которого углубляется и спрямляется. Фильтрацион-
ные воды из основного судоходного канала собираются в дренаж-
ные канавы (разрез Б на рис. 5.17) с последующим их исполь-
зованием для орошения земель «Житного острова», расположен-
ного между Малым Дунаем и основным руслом Дуная.
Геологическое строение района Братислава — Габчиково —
Комарно характеризуется глубоким неотектбническим погружени-
ем вниз по Дунаю неогеновых отложений (на 3000 м) и кристал-
лических пород (до 5000 м). Аллювиальные четвертичные отло-
жения Дуная имеют пестрый состав — разнозернистые пески,
гравий и галечники фациально-изменчивые, содержат крупные
линзы торфа мощностью до 1,5—2 м, в том числе на глубинах
14—22 м. Это является осложняющим фактором для устойчивости
бетонной плотины, ГЭС и шлюзов у Габчиково. С неотектони-
кой Придунайской низменности (региональное опускание до
5 мм/год) связана повышенная (свыше 7 баллов) сейсмичность
(ускорение 0,25 g); землетрясения были отмечены в районе г. Ко-
марно. Высокая и неравномерная водопроницаемость аллювиаль-
ных отложений (коэффициент фильтрации до 170—400 м/сут) соз-
давала существенные осложнения при проходке котлованов для
ГЭС и шлюзов; потребовалось устройство особых противофильт-
рационных стен с донными плитами. Опасность суффозионных
выносов, больших градиентов и потерь на фильтрацию из каналов
224
обусловили сплошное асфальтобетонное покрытие откосов каналов
и пленкой их дна. Качественного выполнения и контроля требо-
вали разнообразные противофильтрационные мероприятия, плот-
ная укладка песчано-гравийной смеси в дамбы канала и органи-
зация режимных наблюдений за фильтрационными потоками
в районе всех сооружений. Принятый проект (было сопоставлено
около 20 вариантов) отличается оригинальностью решений задач
судоходства, защиты от наводнений и энергетических. Деталь-
ность прогноза негативных явлений обеспечивалась эксперимен-
тами на крупных моделях режима подземных и фильтрационных
потоков с использованием данных разведочного бурения и опыт-
ных гидрогеологических работ.
Волго-Балтийский водный путь им. В. И. Лени-
на (ВБВП). Идея соединить Балтику с Волгой и Азовским
морем возникла у Петра I, реализация Мариинской системы на-
чалась в 1799 г. Соединение Балтийского, Каспийского и Черного
(через Азовское) морей осуществлено Волго-Донским и Волго-
Балтийским судоходными каналами. Используя трассу Мариин-
ской системы, был создан ВБВП от г. Череповца, по р. Шексне,
Белому озеру, рекам Ковже и Вытегре к Онежскому озеру. У пос.
Шексна построены шлюз и плотина, подпор от которой простира-
ется по Белому озеру и долине р. Ковже до следующего Пахо-
мовского гидроузла, образовавшего водораздельное Новинков-
ское водохранилище. Далее, каскадом из пяти водохранилищ и
шлюзов, построенных на р. Вытегре, ВБВП доходит до Онежского
озера, затем по долине р. Свири с двумя гидроузлами — Верхне-
и Нижнесвирским — по каналам до Ладожского озера и в долину
р. Невы (рис. 5.18). Наиболее сложными в инженерно-геологиче-
ском отношении являются: водораздельный район с выемками глу-
биной до 40 м и склон к Онежскому озеру, на котором шлюзы
3,4 и 5 расположены на расстоянии около 900—1100 м друг
от друга; водохранилища Белоусовское длиной 5,8 км (пло-
тина, шлюз № 2) и Нижнее Вытегровское длиной 8,5 км
(шлюз № 1).
Инженерно-геологические изыскания по трассам ВБВП прово-
дились институтом Ленгидропроект с перерывами, начиная с 40-х
годов; наиболее важными задачами являлись:
— выяснение геологического строения до- и послеледниковых
речных долин, наличия неогеновых и более древних переуглубле-
ний, их пространственное соотношение в районах проектируемых
трасс;
— изучение подземных вод в четвертичных, неогеновых и па-
леозойских отложениях, их взаимосвязи и режима;
— обоснование выбора наилучших вариантов трасс отдельных
частей каналов по долинам рек с минимальными подрезками
склонов и глубинами выемок, особенно в скальных породах;
— оценка устойчивости откосов выемок в малопрочных, неред-
ко водонасыщенных, разнородных ледниковых отложениях и в по-
родах переуглубленных долин;
225
Рис. 5.18. Геологическая схема района сооружений Волго-Балтийского канала:
1 — верхнекаменноугольная карбонатно-глинистая толща; 2 — среднекаменно-
— изучение закарстованности и водопроницаемости глинисто-
карбонатных толщ верхнего девона и карбона, их залегания и
распространения, особенно вблизи поверхности земли в районах
водораздела рек Ковжа и Вытегра, притоков и прилегающих
склонов в целях оценки фильтрационных потерь из каналов и
водохранилищ и связанных негативных явлений;
— инженерно-геологическое обоснование выбора участков раз-
мещения плотин и шлюзов ВБВП в районе от пос. Шексны до
Онежского озера и детальное изучение условий при разработке
технического проекта намеченных сооружений;
— выявление и анализ инженерно-геологических процессов,
возникших при эксплуатации Онежских и Пррладожских каналов
и на берегах водохранилищ на р. Свири для обоснования защит-
ных мер в связи с более интенсивным судоходством.
Опыт проектирования и строительства ВБВП позволяет опре-
делить состав и методику выполнения изыскательских работ для
решения вышеперечисленных задач применительно к сооружениям
и инженерно-геологическим условиям региона Основные изыска-
ния сосредоточивались в районах от г. Череповца до Онежского
озера; на стадии ТЭО для выбора и общей инженерно-геологиче-
ской характеристики трассы канала и участков размещения гид-
«лжужаъ слквддал. «. <з€ъ.<ж’;оД были.
.инженерно-геологические съемки масштаба 1:100 000 с развед-
кой, бурением и геофизикой по трассе и поперечникам, задава-
емым на типичных по геоморфологическим условиям участках.
Детальность картирования масштаба 1 : 100 000 речных долин
Шексна — Ковжа — Вытегра определяется необходимостью учета
при выборе трасс каналов и подпорных сооружений местоположе-
ния и строения погребенных долин, закономерностей закарстован-
ности, участков интенсивной фильтрации и территорий, потенци-
ально-неустойчивых в отношении оползней.
Одновременно проводились инженерно-геологические изыска-
ния в районах вероятного размещения плотйн, шлюзов и насос-
нык станций, место которых намечается предварительными про-
ектными проработками. Детальность этих изысканий, включаю-
щих комплекс работ, определяется сложностью гидрогеологичес-
ких и инженерно-геологических условий районов и оценивается
через масштаб картирования 1:5000 — 1:10 000. Изыскания на
территориях проектируемых гидроузлов должны составлять еди-
ное целое с картированием трасс каналов, дополнять их, являясь
своеобразными опорными (эталонными) участками.
угольные известняки; 3 — нижнекаменноугольные нзвестняково’глинистые и пес-
чаные переслаивающиеся отложения; свиты: Девятинская (Cidev), тагажемская
(Cttag) и патровская (C±pat); 4 — верхнедевонские пестроцветные песчано-
глинистые отложения; 5 — погребенный уступ древнего плато в породах дево-
Ца и карбона; 6 — дочетвертичная долина р. Вытегры, выполненная песчано-
глинистыми породами; 7 — интенсивно закарстованные территории; 8 — гидро-
узлы: I — Вытегорский, 2 — Белоусовский, 3, 4, 5 — Новинковский, 6 — Па-
хомовский
227
После выбора на стадии ТЭО основных направлений судоход-
ных каналов применительно к условиям ВБВП на стадии Проек-
та комплексные изыскания предназначены:
— по трассам каналов дать детализацию инженерно-геологи-
ческих условий отдельных участков расположения глубоких вы-
емок, мостовых переходов, где прогнозировались осложняющие
или опасные геологические процессы — оползни, фильтрационные
утечки, размывы откосов канала и т. п., — в целях обоснования
эффективных способов ведения строительных работ, защиты тер-
ритории, снижения ущерба и обеспечения судоходства с рекомен-
дациями соответствующих мероприятий и даже корректировки
трассы канала; на этой стадии на участках каналов, типичных
по строению, и тех, где предполагается защита, осуществляются
разведочные, опытно-фильтрационные, геомеханические и другие
работы, инженерно-геологическое картирование в масштабах
1:25 000 — 1:10000 — 1:5000 и организуются режимные наб-
людения за подземными водами, в первую очередь в пределах
будущих глубоких выемок и предполагаемой интенсивной ин-
фильтрации;
— для инженерно-геологического обоснования проектов пло-
тин, шлюзов, насосных станций, поселков и других объектов;
изыскания на отдельных участках расположения сооружений вы-
полняются по единой программе с работами по всей трассе канала
и по отдельным ее объектам защиты (укрепление откосов выемок,
борьба с утечками и т. п.); они должны взаимодополнять друг
друга.
Не исключается, что после составления комплексного проекта
водного пути из-за сложных условий при строительстве возникает
необходимость в дополнительных проработках и уточнениях ин-
женерной защиты для отдельных объектов канала, для которых
потребуются уточненные данные о режиме подземных вод, экс-
периментальные и натурные геологические исследования.
Каракумский канал им. В. И. Ленина — наиболее
протяженный канал страны с большими расходами и скоростями
течения — создается в четыре очереди в аридной зоне в разно-
образных геоморфологических условиях (рис. 5.19). Канал проло-
жен в выемках и насыпях по аллювиальным и морским равнинам
и низменностям с развитием грядовых песчаных бархан, пересе-
кает дельты рек, конусы выноса и периферийные части предгор-
ных шлейфов. Трасса канала сложена различными по генезису
и возрасту аллювиальными, эоловыми, пролювиальными и делю-
виальными песками, супесями и суглинками, обладающими лито-
логическими особенностями, неодинаковой засоленностью, плот-
ностью, просадочностью и сопротивляемостью размыву. На кана-
ле построены многочисленные сооружения, обеспечивающие его
эксплуатацию и хозяйственную деятельность края: насосные стан-
ции, шлюзы, дюкеры, акведуки, мосты, пристани, выпуски и др.
При строительстве и на начальном этапе эксплуатации канала
возникли негативные инженерно-геологические и другие явления
228
Рис 5 19 Схема Каракумского канала им В И Ленина (из журнала «Природа», 1975, № 2)
Равнины 1 — преимущественно суглинистые, 2 — песчаные, эоловые, 3 — песчаные морские, 4 — горные территории,
5 — геоморфологические районы и их номера I — долина Амударьи, Па — солончаковая дельта Балха, Пб — пес-
чано-глинистая Обручевская степь, Пв — песчаная дельта с грядовым эоловым рельефом, III — песчаное холмогорье
Карабиль, IV — суглинистая дельта Мургаба, V — возвышенность Бадхыз, VI — дельта Теджена, VII — пролювиаль-
ная подгорная равнина Копетдага, VIII — подгорная равнина Западного Копетдага, IX — дельта Атрека, X — мо-
лодые морские равнины Каспия Каналы, очереди строительства 6 — первая — 395 км, 7 — вторая — 140 км, 8 —
третья — 302 км, 9 — четвертая и последующие, разветвления
разного характера и интенсивности в зависимости от особенностей
природной среды. Наиболее существенными оказались фильтра-
ция воды из канала и связанные с ней изменения состояния и
свойств грунтов откосов, что в свою очередь вызвало неблаго-
приятные процессы, требующие дополнительных защитных меро-
приятий, или отрицательно отражалось на прилегающей террито-
рии. В начале эксплуатации потери на фильтрацию были очень
большими, примерно до одной трети расхода канала. Повсемест-
ное создание противофильтрационных покрытий (пленок, асфаль-
тобетонных и иных) при больших параметрах канала, подобного
Каракумскому, — задача трудно решаемая; поэтому рассчиты-
вали на естественное снижение фильтрационных потерь вследст-
вие заиления грунтов дна и откосов, которое нередко оказыва-
лось малоэффективным. В таких случаях обязателен организо-
ванный отвод фильтрационных вод, обычно минерализованных,
иначе неизбежны подтопление прилегающей территории и другие
негативные явления, которые имели место в ряде районов трассы.
Особо неблагоприятными могут быть районы, где распростра-
нены засоленные песчаные и суглинистые грунты, в которых сле-
дует ожидать прогрессирующую во времени фильтрацию вслед-
ствие выщелачивания солей и возрастания водопроницаемости
грунтов. Нередко аллювиальные пески и супеси, сцементирован-
ные гипсом или другими растворимыми солями, в безводном сос-
тоянии представляют прочную нефильтрующую породу, устойчи-
вую в откосах и трудно размываемую. При выщелачивании такие
грунты являются малонадежными в откосах, они легко размыва-
ются, оползают и оплывают.
Гидрогеологические и инженерно-геологические изыскания для
крупных протяженных каналов комплексного назначения в арид-
ных зонах с равнинным рельефом и преобладанием четвертичных
песчано-глинистых отложений, обычно безводных или со споради-
ческим распространением водоносных линз, призваны решать спе-
цифические задачи, используя в сочетании специальные картиро-
вочные, разведочные, экспериментальные и другие методы для
регионального и локального прогнозов геологических процессов
взаимодействия канала и природной среды. Строительство, про-
ектирование и изыскания таких протяженных каналов произво-
дятся по стадиям и очередям ввода в эксплуатацию.
Народнохозяйственная, экономическая и социально-экологиче-
ская целесообразность создания в пустынных областях крупных
каналов многоцелевого назначения, протяженностью в сотни ки-
лометров, определяется в перспективных планах развития респуб-
лик. Для предварительных разработок (схем) необходимы исход-
ные данные, в том числе по региональной гидрогеологической и
инженерно-геологической характеристике больших территорий,
в пределах которых могут быть трассы каналов разных направ-
лений, площади орошения, новые поселки, транспортные и иные
объекты. Применительно к природным условиям Каракумского
канала и аналогичными целесообразно составлять серию карт (гео-
230
логическую с элементами геоморфологии, гидрогеологическую,
инженерно-геологическую) масштаба примерно 1:500 000, допол-
ненных более детальными разрезами, с соответствующим райони-
рованием территории, ее описанием, оценкой современного состо-
яния и прогнозами изменения геологической среды. Указанные
работы необходимо выполнять на основе геологических и других
карт, на материалах многочисленных проектно-изыскательных ор-
ганизаций, в первую очередь водохозяйственного и дорожного
профиля, проводивших изыскания в районах намеченных трасс
каналов. Неизбежна большая работа по сбору, систематизации
разнохарактерных изыскательских материалов, а также аэрокос-
моснимков и их дешифрированию с учетом требований проектных
и технико-экономических проработок. Целесообразно осуществ-
лять маршрутное специализированное геологическое обследова-
ние с использованием имеющихся материалов карт, современных
технических возможностей.
Проектирование на стадии ТЭО гидротехнического комплекса
канала и сопутствующих объектов требует проведения специаль-
ных изысканий для обоснования сопоставления вариантов трасс
и выбора наилучшего решения, в том числе по гидрогеологичес-
ким и инженерно-геологическим условиям. Применительно к об-
становке Средней Азии, задачам и возможным негативным явле-
ниям детальность инженерно-геологической и другой документа-
ции может быть определена в виде комплекса карт, разрезов и
районирования в масштабах 1:200 000 — 1:100 000 с учетом
очередности строительства.
Большое значение приобретают эффективные методы полевых
изысканий, их оптимизация для районов с различными природны-
ми условиями, соблюдение основных принципов исследований
(см. гл. I), имея в виду протяженность и обязательную вариант-
ную проработку для выбора трассы каналов и различных защит-
ных мероприятий. Располагая данными инженерно-геологического
и другого районирования территории в масштабах 1:500 000,
которые должны быть в проектной документации схемы, разра-
батывается рациональная программа изысканий на стадии ТЭО,
определяются виды и минимальные объемы работ, используя для
оценки территории приемы и критерии геологического подобия.
Специализированное гидрогеологическое и инженерно-геологи-
ческое картирование районов вариантного размещения трасс ка-
налов должно быть площадного и маршрутного характера; не
исключается, что возникает целесообразность закартировать от-
дельные участки как типовые (эталонные) в масштабе 1 : 25000.
Эффективное использование аэрокосмоснимков и данных аэрови-
зуальных наблюдений, их дешифрирование и определение призна-
ков для характеристики литологического разреза, наличия и глу-
бины залегания грунтовых вод, вида и параметров геологических
явлений предполагают выполнение разведочных работ по трассам
каналов, в первую очередь пенетрационно-каротажных и электро-
разведочных, позволяющих получить данные о состоянии и свой-
231
ствах грунтов. Целесообразно в ограниченном объеме бурение
опорных скважин, предназначенных для изучения геологического
строения, и подземных на больших глубинах, а также для кор-
реляции съемочных, геофизических и пенетрационно-разведочных
материалов. Инженерно-геологическая характеристика территорий
возможного размещения в зоне основного канала — мостов, дю-
керов, насосных станций и т. п., — учитывая еще не выбранный
вариант, должна быть минимальной, увязанной с типовыми по
геологическому строению участками более детального картирова-
ния и проектными наметками.
Инженерно-геологические изыскания на стадии Проекта и
рабочей документации магистральных ирригационных каналов
в равнинных аридных областях распространения четвертичных от-
ложений сосредоточиваются на выбранной трассе, площадках
расположения отдельных объектов и сооружений комплекса в со-
ответствии с очередностью проектирования и строительства. Глав-
ные задачи изысканий трассы канала:
а) количественно-временной прогноз негативных гидрогеологи-
ческих и инженерно-геологических процессов в районах, выделен-
ных ранее по типовым признакам;
б) обоснование и рекомендации защитных мероприятий по
уменьшению интенсивности и опасности от фильтрации, размыва,
нарушения устойчивости откосов, подтопления и засоления приле-
гающих территорий;
в) дальнейшая детализация инженерно-геологического райони-
рования трассы и прилегающей зоны (для Каракумского канала
принята ширина по 5 км от него) на картах тех же масштабов,
что в ТЭО; а в случае необходимости отдельные участки, где
процессы будут интенсивны, опасны и защита усложняется, изу-
чаются и оцениваются подробнее на картах и разрезах в масшта-
бах 1 : 25 000 — 1 : 5000;
г) изучение и оценка инженерно-геологических условий выб-
ранных в ТЭО площадок для отдельных объектов и сооружений
канала — поселков, насосных станций, мостов и др. — по соот-
ветствующим методикам;
д) выбор и заложение опорной сети для последующих режим-
ных наблюдений за развитием фильтрации, подпора грунтовых
вод, изменением геологической среды и для проверки прогнозов
негативных процессов в канале.
Рациональная методика инженерно-геологических изысканий
на стадии Проекта, получение надежной достаточной информации
для принятия окончательных проектных решений и составления
рабочей документации возможны только в тех случаях, когда
изыскания на стадии ТЭО выполнены квалифицированно и в тре-
буемых объемах. Опыт показывает, что значительно преувеличен-
ные объемы и продолжительность изысканий на стадии проекта
обусловлены переделками недостаточно обоснованных проектных
решений в ТЭО. Содержание и методы выполнения изыскатель-
ских работ на завершающей стадии аналогичны предыдущей;
232
возрастают объемы разведочных, опытно-фильтрационных, экс-
периментальных (расчетных и моделированию) по прогнозирова-
нию фильтрации и обусловленной ею активизации просадок
в лёссах, подтопления и оползней на откосах глубоких выемок.
Инженерно-геологические исследования должны продолжаться
в периоды строительства и эксплуатации всех сооружений гидро-
технического комплекса канала.
Крупные каналы протяженностью в сотни километров, особен-
но в аридных областях, и комплекс других сооружений влияют
на окружающую среду, в том числе на почвенный покров, забо-
лоченность, паводки и т. д. Поэтому для обоснования проектных
решений по комплексному развитию хозяйства областей в зонах
влияния каналов (массивы орошения, поселки, дороги и т. д.)
одновременно с инженерно-геологическими и гидрогеологическими
изысканиями проводятся почвенные, климато-гидрологические
и иные исследования, которые необходимо увязывать в про-
граммах.
Влияние сейсмичности. Многие магистральные протя-
женные каналы в Среднеазиатских республиках, Казахстане, За-
кавказье и на Северном Кавказе проложены в районах повышен-
ной и высокой сейсмичности, с широким распространением чет-
вертичных отложений, обводненность которых возрастает за счет
фильтрационных утечек. Следовательно, подъем уровней грунто-
вых вод, снижение показателей прочности и модулей деформации
при вибрационном воздействии землетрясений усложняют сейс-
мическую обстановку территории каналов и связанных с ними со-
оружений. Откосы глубоких выемок в мелких песках или пылева-
тых суглинках, водонасыщенных в основании, будут обладать
меньшей устойчивостью при землетрясениях вследствие возмож-
ного проявления тиксотропных свойств и дополнительных танген-
циальных сил. В программах комплексных исследований необхо-
димо предусматривать составление сейсмических и микросейсми-
ческих характеристик территорий на стадиях:
— Схемы на основе имеющихся карт и описаний сейсмичнос-
ти района с детальностью примерно масштаба 1 ; 1 000 000;
— ТЭО на основе карт детального сейсмического районирова-
ния (ДСР) в масштабе 1 : 200 000;
— Проекта — для районов размещения поселков и инженер-
ных сооружений канала (мостов, шлюзов, глубоких выемок и др.)
рекомендуется выполнение сейсмического микрорайонирования
(СМР) в масштабах 1 : 25 000—1 : 10 000 в зависимости от класса
сооружений и сложности геологической среды; составление карт
СМР осуществляется в соответствии с действующими инструкци-
ями и СНиПом П-7-81.
§ 5. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ ПОРТОВЫХ
И БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Разнообразное строительство и освоение морских побережий тре-
буют планомерного комплексного, в том числе инженерно-геоло-
гического, изучения разной детальности в зависимости от постав-
ленных задач, видов сооружений и использования надводных тер-
риторий, отмелей и шельфа. Побережья находятся в состоянии
непрерывного воздействия волн и течений морей и океанов, на
них развиваются геологические процессы на общем фоне совре-
менных тектонических движений, сейсмичности и влияния техно-
генных факторов. В главе VI учебника «Инженерная геодинами-
ка» (1983) рассмотрены процессы абразии, перемещения наносов,
типы и формирование морских берегов, изучение и прогноз кото-
рых являются главными задачами комплексных инженерно-гео-
логических исследований, в сочетании с морскими гидрологичес-
кими. Конкретные вопросы, содержание и объемы изысканий оп-
ределяются видами сооружений, размещаемых на надводной и
подводных частях побережья, сложностью геологической среды,
воздействием моря, стадией проектирования и освоения террито-
рии. На морских побережьях открытых, бухтовых, в заливах и
в дельтах рек проектируются, реконструируются и строятся со-
оружения: портовые и связанные с ним объекты; берегозащитные
(для сохранения надводной территории, зданий, дорог и для за-
щиты от оползней, селей, пляжевой зоны и аккумулятивных
отмелей).
Непременным требованием к изысканиям на всех стадиях
является одновременное и по единой комплексной программе изу-
чение: а) надводной территории с развитыми на ней процессами,
отмелей и верхней части шельфа (если предполагается его ос-
воение); б) инженерно-геологических условий, с количественной
оценкой интенсивности воздействия моря — характеристик высот
и энергии волн, течений, образования и перемещения наносов.
На берегах водохранилищ возводятся портовые сооружения и
осуществляется защита, преимущественно освоенных участков, от
воздействия волн и активизировавшихся после подпора оползней,
осыпей, карста, просадок, характеристика которых дана в § 3
настоящей главы. Подмывы, формирование отмелей, движение
наносов и другие процессы на водохранилищах имеют свои осо-
бенности и отличаются от аналогичных процессов на морях по
интенсивности и механизму, но основные положения по методике
изысканий сохраняются.
Задачи и содержание изысканий для портового строительства
и освоения морских побережий. Огромная протяженность морских
берегов страны, разнообразные природные условия, неодинаковая
современная их освоенность определяют специфику задач и мето-
дики инженерно-геологических комплексных исследований.
234
Региональные исследования. Для решения различ-
ных народнохозяйственных и других задач, от перспективного
планирования до конкретного освоения отдельных районов по-
бережья, необходимо выполнять маршрутные рекогносцировки
с описанием инженерно-геологических и других природных усло-
вий, надводных территорий и шельфа, с составлением кадастров
берегов, атласов разных карт, преимущественно масштаба
1 : 500 000, являющихся исходными данными для проектирования
и проведения дальнейших специальных изысканий. Для энергично
и разнопланово используемых, освоенных и перспективно ценных
побережий, например Черного и Балтийского морей, обзорные и
мелкомасштабные инженерно-геологические карты составляются
в более крупном масштабе (1:200 000—1:100 000) на основе
обобщения имеющихся материалов, дополненных данными инже-
нерно-геологического картирования отдельных типичных районов,
используемых в качестве эталонов (аналогов) для характеристики
всего побережья. Маршрутные описания и все виды картирования
выполняются с широким применением аэрокосмоснимков, различ-
ных наблюдений и обобщением геологических, геоморфологичес-
ких, гидрографо-гидрологических и других материалов.
Реконструкция существующих и строительство новых морских
портов определяется развитием в данном районе побережья про-
мышленных предприятий, транспортных узлов, расширением горо-
да и туризма, т. е. с общими народнохозяйственными задачами, а
также обеспечением обороны страны.
В результате обобщения имеющихся материалов и проведения
выборочного или сплошного инженерно-геологического картирова-
ния морского побережья осуществляется инженерно-геологическое
районирование в заданном масштабе, с выделением разных типов
н подтипов берегов: по геологическому строению надводной тер-
ритории и подводного склона; по интенсивности поднятий и опус-
каний; по морфологии — бухтовые, выровненные, лиманные, устья
рек и др.; по высоте — высокие и низкие; по активности абра-
зионных, эрозионных, оползневых и других процессов; по совре-
менному состоянию (устойчивости) отмелей и надводных склонов;
детальность инженерно-геологического районирования побережья
обусловлена его целевым назначением. Одновременно на инже-
нерно-геологических картах должно быть выполнено гидрологи-
ческое районирование побережья, которое является итогом спе-
циальных наблюдений, описаний и обобщения материалов мор-
ских гидрофизических обсерваторий. Воздействие течений и волн
иа берега, их направления, энергия, высота, перемещение нано-
сов, гидравлические й другие характеристики моря необходимо
показать в каждом гидрологическом районе.
Исследования на стадии ТЭО и Проекта. Прн
йервоначальном определении района размещения морского порта
И связанных с ним объектов инженерно-геологические условия
побережья имеют вспомогательное значение; более детальное их
изучение начинается на стадии ТЭО, на которой необходимо обос-
235
новать вариантный выбор наиболее благоприятного участка. Ос-
новные задачи инженерно-геологических изысканий на стадии
ТЭО реконструкции или строительства сооружений нового мор-
ского порта, сочетающихся с морскими гидрофизическими иссле-
дованиями, предполагают:
— изучение геологического строения — различных, включая
четвертичные, комплексов пород, их залегания, мощностей и
распространения в пределах надводной территории и верхней
части шельфа как единого геологического объекта, испытавшего
общую новейшую историю развития;
— изучение неотектонического режима и сейсмичности района,
формирования современного и погребенного рельефа, в том числе
подводных каньонов, перемещения береговой линии моря за но-
вейшее время, образования и распространения наносов, совре-
менных и древних илов и молодых отложений;
— выявление распространения грунтовых и напорных вод
в различных отложениях надводной территории, особенностей
их разгрузки на отмелях и роли в образовании оползней, карста
и других процессов;
— изучение физико-механических свойств — плотности, влаж-
ности, консистенции, тиксотропности, сжимаемости (деформируе-
мости и прочности илов и более литифицированных голоценовых,
чертвертичных и плиоценовых морских и склоновых образований,
в том числе выполняющих погребенные долины, а также подсти-
лающих их доплиоценовых («коренных») отложений;
— характеристику современных геологических процессов по-
бережья — абразионных, эрозионно-селевых, обвально-оползне-
вых, карстовых и других, происходящих в надводных и подводных
частях берега, влияющих на его формирование и современную ус-
тойчивость;
— изучение процессов формирования, перемещения, истирае-
мости и аккумуляции наносов на отмели в зоне воздействия волн
и течений, с характеристикой очагов их образования за счет се-
левых и речных выносов, размыва отмелей и уступов над ними.
Важными вопросами изысканий на стадии ТЭО и на после-
дующих являются инженерно-геологическая оценка грунтов как
оснований сооружений порта в акватории и на суше, их надежно-
сти, обоснование методов укрепления и рекомендации по конст-
рукциям фундаментов и способам ведения строительства. Выяв-
ление и предотвращение возможных оползней, карстовых прова-
лов, крупных селевых выносов и абразии, заносимости акватории
на территории порта и прилегающих к нему участках также
представляют важные задачи изысканий.
Инженерно-геологические изыскания на площадках размеще-
ния промышленных, административных, жилых и других зданий
порта, подъездных авто- и железнодорожных путей выполняются
постадийно, в соответствии с действующими нормативными и ме-
тодическими документами. В задачу комплексных изысканий для
строительства крупных морских портов входят поиски и разведка
236
месторождений строительных материалов и подземных вод для
питьевого и технического водоснабжения.
Известные сложности возникают при изучении погребенного
рельефа, строения и свойств морских отложений и илов, законо-
мерности их залегания и изменчивости в пределах отмелей и
шельфа. Наиболее эффективными являются сочетание методов
сейсморазведки (отраженных волн), разведка пенетрационно-ка-
ротажной установкой с понтонов и бурение контрольных (эталон-
ных) скважин со сплошным отбором кернов или монолитов с по-
мощью грунтоносов (см. § 2 гл. III). Надводная территория кар-
тируется и разведуется общепринятыми методами; ее изучение
составляет единое целое с подводными работами. В ряде случаев
для выяснения особенностей рельефа мелководной зоны — харак-
тера подводных каньонов, наличия остатков неразмытых обваль-
но-оползневых массивов и- конусов выноса, состава и распределе-
ния наносов и т. п. — целесообразны натурный осмотр и картиро-
вание геологом-аквалангистом типичных участков и профилей
морского дна.
На стадии региональных инженерно-геологических исследова-
ний на морских побережьях подводные работы проводятся в ма-
лом объеме, когда возникает специальная задача, решение кото-
рой имеет принципиальное значение; обычно используются име-
ющиеся гидрографические материалы. Сейсморазведочные и пе-
нетрационно-каротажные методы являются основными при изуче-
нии строения, состояния и свойств грунтов дна и на стадии ТЭО,
когда выбирается участок для комплекса сооружений морского
порта, определяется их компоновка в намеченном районе на ос-
нове сопоставления вариантов.
На стадии Проекта на участке, выбранном для нового или
расширения существующего порта, проводится детальная раз-
ведка строения акватории всеми методами, в том числе бурением
скважин, преимущественно со сплошным опробованием и отбором
монолитов для изучения физико-механических свойств разных ли-
тологических видов морских молодых отложений и подстилающих
пород. Часто современные отмели и верхняя часть шельфа пред-
ставляют размытый древний рельеф — речные долины с терраса-
ми и склонами, разделенными гребнями и погребенными под мо-
лодыми морскими отложениями с наименьшей мощностью на
водоразделах. Возвышенные участки чаще сложены более проч-
ными породами и могут представлять интерес для размещения
на них бетонных сооружений порта. Поэтому детальное изучение
рельефа, погребенного под молодыми отложениями, является
одной из задач на стадии Проекта и рабочей документации. Изу-
чению строения, мощности и геомеханических свойств новейших
морских отложений в бухтах и лиманах, на мысах и выровненных
участках, а также характеристике состояния (влажности, плот-
ности, консистенции), тиксотропии, деформируемости и прочности
каждой литологической разновидности разреза морских отложе-
ний должно уделяться особое внимание. Определение свойств
237
проводится в объемах, достаточных для установления норматив-
ных и расчетных показателей.
Виды портовых сооружений, их размещение и возведение на
открытых берегах приливных и безприливных морей, в заливах,
бухтах и лиманах, обладающих существенно неодинаковыми ин-
женерно-геологическими и гидрологическими условиями, опреде-
ляют различные задачи изысканий. В древних и современных ин-
грессионных лиманах, например на Одесском побережье, широко
распространены илы и сильносжимаемые плывунные песчано-гли-
нистые породы, отмели, обращенные к морю, широкие и пологие,
а на береговых уступах над ними развиты активные оползни.
Иное строение подводных склонов на открытых побережьях,
сложенных прочными скальными породами, например в районах
Гагры и юго-западного Крыма на Черном море, на северных по-
бережьях Финского залива и Кольского полуострова. Принципи-
альные направления изысканий сохраняются, но конкретные
задачи и методы изучения геологического строения, геомеханиче-
ских свойств трещиноватых пород, интенсивность абразионных и
других процессов значительно различаются.
Рис. 5 20. Схема размещения сооружений морского порта в бухте: 1 — трасса
основного морского канала для выхода судов глубокой осадки; 2 — док; 3 —
промздания; 4 — административное здание; 5 — вспомогательные сооружения,
6 — набережные с причалами; 7 — жилой массив; 8 — реки с погребенными
долинами
238
Рассмотрим в качестве примера инженерно-геологические
изыскания в одном из районов Приморского края. Поставлена
задача найти в заливе большую бухту, в которой приливы, отли-
вы и волновое воздействие были бы минимальными. В бухте надо
разместить причалы, док и морской канал, а на надводной терри-
тории — промобъекты, поселок городского типа, дороги и вспо-
могательные сооружения, изыскать источники для питьевого и
технического водоснабжения (рис. 5.20). Для обоснования вы-
бора бухты в заливе на стадии ТЭО необходимо провести: инже-
нерно-геологическое картирование побережья в масштабе
1:25 000, детализируемое до 1:10 000 — 1:5000 на перспектив-
ных участках; гидрографические промерные работы; изучение
строения и свойств илов и молодых отложений, их распростране-
ния и ориентировочных мощностей по отдельным створам. В бух-
тах, которые рассматриваются как наиболее перспективные, ин-
женерно-геологическое картирование дополняется геофизической
и пенетрационно-каротажной разведкой для определения пример-
ного разреза и мощности четвертичных и плиоценовых отложений,
уточняемых единичными скважинами, в которых выполняется оп-
робование свойств и состояния грунтов.
Практически на всех морских побережьях имеются погребен-
ные долины глубиной от нескольких десятков до 200—400 м,
в зависимости от водности реки и величин дифференцированных
новейших движений, эвстатического подъема уровня моря и ин-
тенсивности абразии за плейстоценовое время и особенно за го-
лоцен. Погребенные долины рек обычно выполнены сжимаемыми
и песчано-глинистыми грунтами, редко с примесью обломочного
материала, и обладают малоблагоприятными в инженерно-геоло-
гическом отношении условиями для размещения на них бетонных
сооружений. Если они прослеживаются в бухтах, то целесообраз-
но приурочить к ним выходной морской канал.
Вышерассмотренные вопросы и виды исследований, дополняе-
мые поисками месторождений строительных материалов и воз-
можных источников водоснабжения, должны составлять основное
содержание инженерно-геологических изысканий на стадии ТЭО
и обосновывать выбор участка побережья для комплекса соору-
жений морского порта и примерную их компоновку.
Изыскания на стадии Проекта выполняются после утвержде-
ния ТЭО, когда по группе показателей выбран участок строитель-
ства нового порта или определена реконструкция существующего.
На этой стадии, как и для других видов морских гидротехничес-
ких сооружений, главными задачами являются:
— инженерно-геологическое изучение и оценка оснований на
участках запроектированных сооружений на акватории и рекомен-
дации мероприятий по упрочению грунтов; иногда даются ре-
комендации по перекомпоновке, исходя из выявленных инженер-
но-геологических условий;
— обоснование наиболее рациональных конструкций сооруже-
ний и способов производства строительных работ;
239
— детальная инженерно-геологическая характеристика участ-
ков размещения промышленных, административных, транспортных
и других сооружений, располагаемых на прилегающей к порту
территории;
— определение необходимости и обоснование характера инже-
нерных мероприятий по защите района территории порта от
оползней, селевых потоков и других негативных процессов, а так-
же от воздействия волн и по регулированию перемещения нано-
сов;
— детальная характеристика строения и свойств грунтов трасс
намеченных морских каналов;
— разведка с подсчетом запасов месторождений естественных
строительных материалов и подземных вод.
В соответствии с поставленными проектом задачами, особен-
ностями геологической среды и видами сооружений, размещаемых
в акватории и на берегу, выполняются различные инженерно-гео-
логические работы: детальное картирование в масштабах
1:1000—1:2000, геофизическая, буровая и горная разведки, на-
турные фильтрационные и геомеханические работы, режимные
наблюдения, лабораторно-экспериментальные исследования и т. п.
Конкретная методика и технология их выполнения кратко изло-
жены в главе III учебника и в различных пособиях.
К специфическим видам инженерно-геологических исследова-
ний морского дна относится изучение участков размещения уста-
новок для бурения глубоких скважин и площадей с месторожде-
ниями полезных ископаемых, перспективных для разработки.
Главными задачами являются изучение строения и рельефа мор-
ского дна; состояния и физико-механических свойств илов и мо-
лодых малолитифицированных грунтов, вероятности
ния, оползания и размыва при разной крутизне,
волн и течений, а также оценка условий проходки забивных и
буронабивных свай для буровых платформ. Для решения указан-
ных и других вопросов широко применяются сейсмоакустичес-
кие методы разведки, отбор специальными трубками монолитов
(колонок) грунтов для лабораторных испытаний, где позволяют
глубины, пенетрационно-каротажные методы и в особых случаях
бурение. Карты и разрезы геологического строения, состояния и
свойств современных морских и подстилающих их пород дна сос-
тавляются в разных масштабах в зависимости от задач, в
том числе от размеров изучаемой площади и методов исследо-
ваний.
Инженерно-геологические изыскания для проектирования и
строительства берегозащитных сооружений и мероприятий. Интен-
сивная абразия морских побережий определяет необходимость их
защиты в пределах существующего и перспективного освоения,
для предотвращения оползней, осыпей, потерь городских терри-
торий, сельскохозяйственных земель и других объектов. Процессы
формирования и абразии берегов морей и крупных озер с иллю-
страцией примеров защитных мероприятий рассмотрены в учебни-
их оплыва-
воздействии
240
ке Г. С. Золотарева «Инженерная геодинамика» (1983). Берего-
защитные сооружения и мероприятия предполагают:
— ослабление энергии размыва волн и течений, воздействую-
щих на отмели и надводные уступы берегов, путем создания вол-
ноломов, бун, волногасящих пляжей и т. п.;
— прекращение процессов размыва и создание условий для
аккумуляции наносов, их искусственное пополнение и сохранение
на отмели и в зоне наката волн с помощью искусственных со-
оружений и придания бухтообразности берегу;
— защиту надводных уступов берега от непосредственного
размыва созданием волноотбойных стен, контрбанкетов, отсыпок
из глыб и широких пляжей, также предотвращающих активиза-
цию осыпей, оползней и обвалов, способствующих повышению об-
щей устойчивости склона.
Берегоукрепление необходимо рассматривать как основной
компонент комплексной инженерной защиты, которая должна
включать мероприятия по стабилизации прилегающей осваивае-
мой территории, по борьбе с развитыми на ней подтоплением,
эрозионно-селевыми, оползневыми, просадочными, карстовыми и
другими геологическими процессами, нередко активизированными
техногенными факторами. Комплекс инженерных мероприятий по
защите берега и прилегающей территории от негативных процес-
сов должен разрабатываться постадийно, одновременно с проек-
тированием новых или реконструкцией существующих промыш-
ленно-городских, курортных, транспортных, гидротехнических и
других объектов. Например, для побережий Черного моря, Гру-
зии, РСФСР и Украины или для Балтийского в Калининградской
области составлены генеральные схемы инженерной защиты, ко-
торые должны входить в проекты районных планировок и за-
стройки территорий. Схемы призваны обеспечить рациональное
использование побережья с учетом затрат на защиту рекоменду-
емых эффективных инженерных мероприятий. По мере освоения
и строительства разрабатываются ТЭО и Проекты инженерной
защиты побережий, развивающие принципиальные положения,
предусмотренные в Генеральных схемах, и конкретизирующие их
применительно к реальным природным условиям и освоению бе-
регов, в том числе к характеру возводимых сооружений.
Задачи, содержание и методы инженерно-геологических изыс-
каний на морских побережьях составляют единый комплекс с гид-
рологическими работами, определяются геологическим строением
и рельефом надводных территорий и отмелей, видами и интен-
сивностью геологических процессов, характером воздействия моря
и проектируемыми сооружениями. В зависимости от стадии изыс-
каний необходимы следующие основные материалы:
— карты с отображением изменения рельефа устьевых частей
речных долин, перемещений береговых уступов, линии уреза моря,
Ширины аккумулятивных и абразионных пляжей и отмелей за
возможно более длительный период на основе сопоставления пла-
нов разных лет, включая исторические сведения, анализ аэрофо-
241
то- и космоснимков разных залетов, дополненных новыми, зака-
занными при изысканиях; для картирования подводного склона
предусматриваются эхолотирование, промерные работы и натур-
ный осмотр дна;
— геоморфологические и геологические карты и разрезы с ти-
пизацией побережья, составляемые на основе натурного картиро-
вания, обобщения имеющихся данных, с использованием аэрокос-
моснимков и фототеодолитных съемок побережья, с применением
геофизической разведки, пенетрационно-каротажных работ и бу-
рения опорных скважин с задачами изучения состава, залегания
и распространения илов, наносов и молодых отложений в аква-
тории и на надводной территории, оценки их состояния и физико-
механических свойств;
— аналогичные карты и разрезы, характеризующие строение,
залегание и свойства более древних и прочных пород, подстила-
ющих молодые малолитифицированные отложения;
— инженерно-геологические карты и разрезы, отражающие ха-
рактер и развитие современных геологических процессов и их
техногенных аналогов на надводной части берега и на подвод-
ных склонах с оценкой их устойчивости, характеристикой эффек-
тивности существующих защитных мероприятий и прогнозом из-
менения геологической среды побережья;
— карты гидрологического районирования побережья с дан-
ными о режиме волн и течений, их энергетических характеристи-
ках, об очагах формирования и перемещения наносов, необходи-
мыми для оценки интенсивности процессов абразии; эти карты
составляются по материалам морских обсерваторий Госкомгид-
ромета СССР и других организаций.
Наиболее широко берегозащита осуществлена на застроенных
побережьях Черного моря и в зависимости от геоморфологии,
строения и устойчивости надводного склона и отмелей представ-
ляет систему волногасящих песчано-галечниковых искусственных
пляжей, предохраняющих дно и берег от размыва, дополняемых
различными укрепительными сооружениями.
Сложным случаем является защита от наводнений г. Ленин-
града, по поводу которой было много публичных и научных дис-
куссий, проведены разносторонние исследования. Проблема за-
щиты города возникала неоднократно; были предложения Б. Ми-
ниха (1727 г.), французских инженеров и проф. Базена (1838 г.)
и других (Агалаков, Кураев, 1984). Наиболее крупные наводне-
ния, вызванные нагонными явлениями и «длинными волнами» со
стороны Балтийского моря с подъемом уровня над ординаром у
Горного института, были; 3,20 м (1777 г.), 4,12 м (1824 г.), 3,80 м
(1924 г.) и 2,70 м (1975 г.). По прогнозу максимальный подъем
уровня, при котором ущерб городу и социально-экологические
последствия трудно оценить, возможен до 5,4 м. Наряду с наго-
ном уровней в р. Неве происходит их сгон (в 1952 г. на 1,36 м),
при сильных устойчивых восточных ветрах; наблюдаются переко-
сы уровней на северном и южном побережьях Финского залива.
242
В комплекс защитных сооружений входят: 11 каменно-наброс-
ных укрепленных дамб общей длиной 25 км, два судоходных со-
оружения, с пролетами 200 и 110 м, шесть перекрываемых водо-
пропускных сооружений с мостами через них, каждое из которых
состоит из 10—12 отверстий шириной 24 м и глубиной 5 м, общее
сечение которых превышает площади рукавов дельты Невы. Под
судоходными шлюзами для автодороги создаются туннели. Объ-
емы строительных работ по основным сооружениям: выемка
мягких грунтов 21,3 млн м3; отсыпка — 36,7 млн м3; отсыпка
скальных масс 5,6 млн м3; бетона и железобетона — 2,5 млн м3.
Предусматривается строительство скоростной кольцевой дороги
через Кронштадт общим протяжением 150 км, а также благоуст-
ройство и берегоукрепление Невской губы.
Осуществление подобных грандиозных проектов — крупная
гидротехническая задача, имеющая общегосударственное значе-
ние. Сбрасываемые ныне сильно загрязненные воды (промышлен-
ные, бытовые и другие стоки) Невы и Невской губы, а также
воды Ладожского озера должны быть очищены; требуется забла-
говременный ввод комплекса коммунальных станций для биологи-
ческой и химической очистки вод.
Для проектирования и осуществления всего разнообразного
комплекса инженерных сооружений и мероприятий как непосред-
ственно защитных, так и связанных с ним необходимы обстоя-
тельные инженерно-геологические, инженерно-гидрологические и
другие изыскания и научные проработки, выполняемые постадий-
но; в решении проблемы защиты Ленинграда от наводнений уча-
ствовало 52 организации. Основанием для каменных и грунтоуло-
женных дамб, шлюзов и других бетонных сооружений являются:
а) архейские граниты, гранитогнейсы и диориты, различно тек-
тонически нарушенные и выветрелые; б) моренные суглинки,
плотные, валунные и в) разнообразный комплекс морских верхне-
плейстоценовых и голоценовых малолитифицированных водонасы-
щенных песчано-глинистых отложений, фациально-изменчивых.
Следовательно, главными вопросами инженерно-геологических
изысканий являются изучение состава, залегания, неоднородности,
распространения, мощности и деформируемости перечисленных
комплексов пород, расчленение их на инженерно-геологические
пачки и элементы, характеризующиеся показателями физико-ме-
ханических, в том числе тиксотропных свойств основных литоло-
гических типов и разновидностей.
Мероприятия по защите г. Ленинграда от наводнения и подоб-
ные проекты на стадии ТЭО должны рассматриваться в вариант-
ных решениях и составлять единую систему с мероприятиями по
инженерной подготовке территории при пересмотре и реконструк-
ции генерального плана города. Общая инженерно-геологическая
характеристика района размещения защитных сооружений, при-
городных зон, застроенной и благоустраиваемой территории на
стадии ТЭО, в зависимости от сложности природных условий
может быть дана с детальностью карт масштаба 1 : 25 000 —
243
1:10000 с детализацией отдельных мест и трасс расположения
ответственных объектов до масштаба 1 : 5000 и даже 1 : 2000.
После научно-технического и общественного обсуждения вариан-
тов ТЭО защиты и выбора наилучшего и утвержденного на ста-
дии Проекта инженерно-геологические изыскания сосредоточива-
ются на характеристике строения и расчетных значений геомеха-
нических показателей свойств грунтов оснований на участках
намеченных сооружений. При выполнении изысканий использу-
ются все основные методы: детальное картирование приурезовой
полосы, акватории и рельефа дна, его строения, состояния и
мощности илов и молодых отложений методами сейсморазведки
и пенетрационно-каротажными, уточняемыми бурением опорных
скважин со сплошным отбором монолитов и проведением в нату-
ре испытаний деформируемости пород прессиометрами. На тех
участках, где сооружения размещаются на значительно литифи-
цированных морских ледниковых и магматических трещинова-
тых породах, применяются традиционные методы исследований,
предназначенные для оценки оснований сооружений.
Проектирование линейных берегозащитных сооружений обос-
новывается инженерно-геологическими, гидрологическими, эконо-
мическими и социально-экологическими материалами. Это позво-
лит оценить возможность создания и эффективность работы вол-
ногасящих пляжей и слоя наносов на отмели как основного про-
тивоабразионного мероприятия, в сочетании с бунами. Волноза-
щитные стены, набережные, контрабанкеты и мероприятия по по-
вышению устойчивости надводных оползневых, обвально-осыпных
склонов, участков с селевыми выносами, закарстованными и
с иными сложными условиями, должны проектироваться как еди-
ный комплекс на стадиях ТЭО и Проекта. Комплексные изыска-
ния выполняются по методикам применительно к конкретным
условиям района.
Глава VI
МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ
ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Научно-технический прогресс создал реальные возможности стро-
ительства разнообразных, в том числе уникальных, подземных
сооружений — транспортных, промышленных, гидротехнических
и других — на значительных глубинах и в сложных инженерно-
геологических условиях. При строительстве подземных объектов
и добыче полезных ископаемых (угля, железа, рудных и др.) на
разных глубинах извлекаются огромные массы горных пород и
создаются выработанные пространства значительных объемов, ко-
торые существенно сказываются на состоянии геологической сре-
ды, вызывая отрицательные горнотехнические и инженерно-гео-
логические явления. Размах подземного строительства иллюст-
рируется следующими цифрами: в США общий объем подземных
камер для специального использования составляет 100 млн м3;
общее протяжение туннелей разного назначения в Скандинавских
странах превышает 2500 км и т. д. Характерно, что стоимость
изысканий для подземного строительства достигает 20% и более.
В настоящее время сложилось новое направление, которое можно
назвать «инженерная геология глубоких зон земной коры», со
специфическими задачами и методиками исследований, различны-
ми в зависимости от вида сооружений и системы отработки мес-
торождений.
Взаимодействие различных подземных сооружений и эксплуа-
тационных выработок с геологической средой неодинаково, мно-
гообразно и характеризуется как общими, так и локальными за-
кономерностями и интенсивностью возникающих процессов. Это
обусловлено разными видами и параметрами инженерных соору-
жений и шахтных выработок, способами производства работ и
различными условиями эксплуатации. Инженерно-геологические
Исследования в периоды геологической разведки и проектирова-
ния разработки месторождений характеризуются специфическими
задачами и видами работ, что отличает их от аналогичных изыс-
каний для обоснования строительства туннелей, подземных зда-
ний ГЭС и промобъектов. В целях большей направленности ос-
новные положения методики инженерно-геологических исследо-
ваний для подземных сооружений и для отработки месторожде-
ний полезных ископаемых рассматриваются в главах 6 и 8 учеб-
ника.
245
Создание подземных сооружений и шахтные разработки вы-
зывают негативные и опасные инженерно-геологические («горно-
геологические», по терминологии, принятой в горном деле) про-
цессы и явления, обусловленные изменениями:
— режима, уровней и движения подземных вод, степени об-
водненности массивов пород, вызванными водоотливом и дрена-
жами;
— естественного напряженно-деформированного состояния и
физико-механических свойств пород *, в которых пройдены и
эксплуатируются подземные объекты;
— термического режима пород, в том числе оттаивание и про-
мерзание пород, возникновение температурных градиентов напря-
жений.
§ 1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
ПРИ ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ОПЫТ
ИХ ИЗУЧЕНИЯ
В зависимости от особенности геологической среды, в том числе
гидрогеологических условий, неотектонического режима и сейс-
мичности, от типов и параметров сооружений, производства стро-
ительных работ, горнотехнических и других техногенных факторов;
возникают следующие взаимосвязанные инженерно-геологические
(«горно-геологические») процессы и явления, разной интенсивнос-
ти, объемов и механизмов развития:
— горное давление на крепь подземных выработок, развиваю-
щееся во времени и обусловленное изменениями (градиентами)
напряженно-деформированного состояния, плотности, свойств и
температуры массивов пород и гидродинамическим давлением;
— горные удары — внезапные выбросы глыб прочных пород;
сдавливание стен и выпор дна («пучение») выработки, наиболее
интенсивные в глинистых пластичных породах;
— вывалы, растрескивание и отслаивание трещиноватых по-
род в разных объемах в сводах и стенках выработок, обусловлен-
ные теми же факторами;
— водопритоки, прорывы вод и плывунов песчаных и глинис-
тых грунтов в подземные выработки, вызванные гидрогеологичес-
кими факторами;
— разуплотнение — увеличение пустотности и трещиноватос-
ти пород под действием процессов подземного выветривания,
выщелачивания, суффозии и размыва при глубоком водопониже-
нии и возникновении больших градиентов фильтрационных пото-
ков, а также перепада напряжений и температуры и, как следст-
вие, изменение плотности, механических и фильтрационных
свойств массива;
— обрушение кровли подземных выработок, сдвижение пород
над выработанным пространством и образование на поверхности
1 См. § 4 гл. II в книге Г.-С. Золотарева «Инженерная геодинамика» (1983).
246
Данные о некоторых туннелях
Таблица 6.1
Туннель, страна Длина, км Сечение, м2 Макс, глубина заложения, м Годы строи- тельства Геологические условия Водопритоки
Монбланский автодорож- ный, Франция—Италия 11,5 70 2480 1959—1965 граниты, сланцы, гнейсы, оса- дочные, зоны разломов 100—341л/с
Сейкаиский под проли- вом Цугара, железнодо- рожный, двухпутный, Япония 53,85 слой воды 140 м; 100 м ниже дна 1964—1983 разломы, высокая сейсмичность до 720 м3/ч из зоны; 220 л/с из разломов
Дайсимидзу, железнодо- рожный, Япония 22,3 65 500—1000 1971—1981 диориты, базальты, сланцы; разломы, сейсмичность до 30 л/с по забою
Арпа-Севанский, гидро- технический, Армения 48 20 1000—1200 окончание 1980 андезиты, лавы, конгломераты; разломы, t до 40° С до 1000 л/с с давлением до 50 атм; выбросы газа
Северо-Муйский, желез- нодорожный, Якутия 15,5 1000 в строи- тельстве граниты; рифтовая зона с крупными подвижными разло- мами, высокая сейсмичность большие, холодных и термальных вод
Туиимь, страна Длина, км Сечение, м* Макс. глубина заложения, м
Ялтинский, гидротехни- ческий, Крым 7,2 до 500
Здание и туннели Рогун- ской ГЭС, Таджикистан здание ГЭС 27Х67Х X20Q М до 400—600
Ингурский деривационный, Г рузня 15 диаметр Юм 400—500
Банска-Штавница, дре- нажный, ЧСФР 16,3 диаметр 5 м до 700
Метро г. Праги; на пе- ресечении р. Влтавы п-10
Продолжение табл. 6,1
Годы строи- тельства Геологические условия водопритоки
в эксплу- атации известняки, терригенные дис- лоцированные породы; разломы суммарно 200 л/с
в строи- тельстве алевролиты, песчаники, склад- чатые; зоны подвижных разломов, сейсмичность незначительные
в эксплу- атации известняки складчатого зале- гания, закарстованные; крупные разломы прорывы до 500 л/с
в строи- тельстве андезиты, порфириты, грано- диориты, песчаники, доломиты; зона надвига умеренные нз трещин и сильные из зоны разло- ма
в эксплу- атации кварциты и сланцы глинис- тые, трещиноватые; тектонические нарушения значительные
земли мульд проседания; нарушение общей устойчивости высоких
«клонов, если сдвижение пород происходит в их пределах;
— газопритоки (метана, сероводорода, углекислого газа)
в Подземные камеры, высокие температуры и их изменение при
проходке выработок;
— деформации и разрушение массива пород, вмещающего
подземные сооружения, вызванные современными тектоническими
подвижками по разломам и сейсмичностью;
— деформации многолетнемерзлых пород в подземных выра-
ботках специфического характера.
Изучение и прогноз вышеуказанных процессов и явлений в це-
лях обоснования конструктивных решений, способов ведения стро-
ительства и мероприятий по предотвращению негативных послед-
ствий проводятся в несколько стадий; выбор рациональной мето-
дики изысканий небходимо основывать на опыте и научных ито-
гах предшествующих работ. Общие сведения о параметрах неко-
торых туннелей и подземных сооружений, позволяющие судить
о характере воздействия на геологическую среду, приведены
в табл. 6.1.
Горное давление, выпор, вывалы и горные удары в туннелях.
При создании подземной выработки (пространства) вокруг нее
происходит разгрузка естественных напряжений в массиве пород,
их разуплотнение и растрескивание, следствием которого явля-
ются горное давление на крепь выработок, выпор пластичных по-
род, различные вывалы и другие деформации. В реальных масси-
вах горное давление развивается неравномерно как по периметру
выработки, так и во времени, в зависимости от типа и залегания
пород, их трещиноватости, напоров подземных вод, характера
поля естественных напряжений и размеров выработки. Пред-
ставления о том, что свод обрушения пород имеет вид параболы
или эллипса и что давление боковое и снизу составляет часть
вертикального, не соответствует реальности; они могут быть спра-
ведливы в редких случаях, например в маловлажных однородных
песчаных толщах.
Один из примеров развития во времени горного давления на
крепь туннеля железной дороги Сараево — Плоча, пройденного
в нижнетриасовых песчаниках, аргиллитах и мергелях, трещино-
ватых, складчатого залегания и тектонически нарушенных, при-
веден Д. Крсмановичем (рис. 6.1). Величины горного давления
могут достигать значительных величин — от долей до нескольких
мегапаскалей и в отдельных случаях превышать 10 МПа (тунне-
ли Арпа-Севанский в Армении, Северо-Муйский в Якутии, Сей-
канский в Японии и др.). Соответственно величинам и распреде-
лению горного давления определяются тип крепления и способы
проходки, ее протяженность без крепи, с сетками, с набрызг-бе-
тоном, с временной крепью и т. д. На весьма неустойчивых участ-
ках с высоким горным давлением и вывалами, проходка тунне-
лей ведется с предварительным осушением массива из опережа-
ющих галерей, инъектированием в разрушенные породы специаль-
249
260 дн.
м-6 линейный
0 12 3м
i—।—।_____1
м-6 давления
Ч 12 5кг/смг
Рис. 6.1. Горное давление иа крепь железнодорожного туннеля на линии Сарае-
во—Плоча (Югославия), пройденного в дислоцированных песчаниках, сланцах
и мергелях триаса (по Крсмаиовичу и Бутуровичу, 1971): 2—11 — домкраты
плоские, d=800 мм
ных укрепляющих растворов; толщина железобетонного кольца,
конструкция которого должна учитывать направления наибольшего
давления, достигает 0,9—1,2 м.
С высоким горным давлением связаны вывалы, выпоры и
горные удары, типичные для различных комплексов пород, образо-
вание и параметры которых также зависят от трещиноватости, об-
воднения, размеров и технологии проходки выработки. Приведем
несколько примеров. В средней степени литификации мезозой-
ской дислоцированной углисто-глинистой толще была создана
подземная камера с бетонным креплением (рис. 6.2, а), в кото-
рой вследствие разгрузки напряжений через три года (рис. 6.2,6)
развился выпор (пластические деформации) пород, увеличивший-
ся в последующие три года (рис. 6.2, в). Безнапорный отводящий
туннель Ингури ГЭС пересекает на глубине 200—250 м от по-
верхности земли ядро антиклинальной складки, сложенной плот-
ными аргиллитами и песчаниками альба-сеномана; при его про-
ходке наблюдались высокое горное давление, выпор в аргиллитах
и вывал в песчаниках, деформировавшие временную металличес-
кую крепь. Е. П. Емельянова задокументировала в подземной
выработке, пройденной на глубине 40—50 м в литифицированных
плотных майкопских глинах, имеющих влажность 15—16%, зна-
чительное сжатие ее поперечного сечения, происшедшее за не-
сколько лет за счет пластических деформаций, без набухания
глин. Подобные пластические деформации в плотных глинистых
250
породах широко развиты да-
же на глубинах в несколько
десятков метров и являются
результатом разгрузки высо-
ких гравитационно-тектониче-
ских напряжений
При строительстве дерива-
ционного туннеля Ингури ГЭС
в верхнемеловых слоистых из-
вестняках складчатого залега-
ния, различно трещиноватых и
с малыми разломными зонами
на незакрепленных участках
происходили вывалы объемами
до 950 м3, обрушения отдель-
ных плит и отслаивание Раз-
витие этих деформаций обу-
словлено разгрузкой естествен-
ных напряжений, а характер и
параметры определяются осо-
бенностями строения складча-
то-трещиноватого массива из-
вестняков На рис 6 3 пред-
ставлены характерные схемы-
зарисовки вывалов в Ингур-
ском туннеле, различные в за-
висимости от степени раздроб-
ленности и направления основ-
ных систем трещин, от интен-
сивности малой складчатости
и слоистости известняков Па-
раметры ниш вывалов опреде-
ляются крупными трещинами
и слоистостью, чаще имеют
Рис 6 2 Пластические деформации в
углисто глинистой толще, вызванные
созданием подземной камеры, разру
шеиие бетонной крепи из за разгруз
ки и перераспределения естественных
напряжений а — по окончании
строительства, б — через 3 года,
в — через 6 лет
пирамидальную форму и развиваются во времени, наиболее круп-
ные из них возникали через 1,5—2 месяца при незакрепленном
своде туннеля, когда в массиве известняков существенно релакси-
ровались естественные напряжения. Вывалы происходили через
5—10 дней или непосредственно при проходке и обычно имели
251
Разрез пи оси туннеля Поперечный разрез
Поперечные разрезы по оси туннеля
IWI' lZ>
Рис. 6 3 Типы вывалов при проходке деривационного туннеля Ингури ГЭС в
верхнемеловых известняках (В И Окуджава, 1969).
Вывалы I — в зоне интенсивной тектонической трещиноватости, II — в зоне
малой складчатости и III — обусловленные отслаиванием
1 — зона разлома — глыбы и дресва известняков с «глинкой трения»; 2 —
трещины тектонические с заполнителем; 3 — контуры выводов; 4 — капеж и
струи вод
объем от 5—10 до 100 м3 в зависимости от степени нарушенносги
известняков.
Своеобразные деформации среднеюрских пород наблюдались
при проходке Ялтинского туннеля, перебрасывающего воду на
Южный берег Крыма из водохранилищ северного склона. Тун-
нель, пройдя обломочные склоновые образования с южной сто-
252
роны, вошел в зону сильнодробленных и нарушенного залегания
песчаников и алевролитов средней юры, происходили вывалы.
Неприсущее породам средней юры деформированное состояние
следует связывать с концентрацией скалывающих напряжений
в основании высокого уступа Яйлы, созданных как массой выше-
расположенных известняков, так и тектоническими силами.
Горные удары типичны для выработок в литифицированных
осадочных и магматических трещиноватых породах, обладающих
высокими напряжениями; они обычно происходят на значитель-
ных глубинах — 300—400 м и более. По И. М. Петухову (1972,
1983), горным ударом называют лавинообразное разрушение по-
род вблизи контура подземной выработки вследствие превышения
скорости изменения их напряженного состояния над скоростью
релаксации напряжений, влекущее за собой внезапный выброс
и обрушение глыб пород. Потенциальная энергия упругих дефор-
маций расходуется на разрушение структурных связей пород,
необратимые деформации, сейсмические импульсы, выбросы, на
рассеивание энергии с тепловым и другими эффектами. Энергия
горного удара в целом складывается из энергии, выделяющейся
из очага разрушения пород и из окружающего его массива и
может быть оценена по формуле
ra=-Z£eLfJ^+0,4
2 \ЕЬ' ^Еп Г
где: Оср — средняя величина нормальных напряжений в целике;
S — площадь целика; т — мощность залежи; а — ширина вы-
работки.
Особо опасны горные удары в глубоких угольных шахтах,
подземных выработках рудных месторождений, например, на
СУБРе, в Таштагольском, Хибинском и других районах отмечены
сильные выбросы пород.
По наблюдениям в Таштагольских рудниках («Перспективы
подземной добычи...», 1985), удароопасность сиенитов, диоритов;
туфосланцев и других пород месторождения для глубин 720—
860 м может быть оценена отношением величин предела прочнос-
ти на сжатие (оСж) к максимальному сжимающему напряжению
в зоне концентрации вокруг выработки. Если —— = 1,1, то по-
стмакс
роды обладают высокой удароопасностью, а при ^1,5 они неуда-
роопасны. Большое значение для своевременного прогноза и
предотвращения последствий от горных ударов придается системе
автоматизированных наблюдений за изменением трещиноватости,
напряжений и общего состояния массива пород, а также совер-
шенствованию теории горных ударов применительно к различным
геологическим средам и горнотехническим условиям.
Одним из эффективных способов ослабления горных ударов,
особенно в угольных глубоких шахтах, где породы находятся
в высоконапряженном состоянии, является метод искусственного
25».
расстояниями от начала разреза 0 1000 1700 2000 3000 3550 WOO 4451 50005400 6000 7000 8000 9000 1000 1100
Инженерно-гео- логические ябления С гк 1253-Признаки разуплотнения, от- слаивание плит, горные удары Частые гор- ные удары, вывалы Интенсий; разиплот- мение I б/ 550-800 62 М 1900 Вар (иа!К-3850) Установи лены Веток упоры и 600 анкероВ Резкие Выбапы и слабое разуплотнение На (К 5635 б, =420 бар; б2 = 17 -145 бар
ИШ[
ИЗ j « ПШк 0^ И7 ЕгЗ 8
Рнс 6 4 Геологический разрез туннеля под Монбланом (по опубликованным материалам М Panet, 1969 и Н Gudefin,
1967)•
1 — метаморфическая свита — кристаллизованные сланцы, гнейсы с прослоями роговиков и амфиболитов; 2 — «пе-
реходная зона» — контактного метаморфизма; 3 — граниты крупнозернистые («проточин») с зонами разрывов, интен-
сивной трещиноватости и дробления; 4 — осадочный комплекс мезозоя; 5 — зоны разрывов (основные) и трещин, 6 —
ледники; графики температуры в туннеле 7 — пород и 8 — подземных вод
трещинообразования (гидроразрыва), создаваемого предваритель-
ным (до проходки) нагнетанием воды под давлением, приводя-
щим к развитию трещиноватости и последующей разгрузке есте-
ственных напряжений.
Описание инженерно-геологических условий автодорожного
туннеля под Монбланом (рис. 6.4) дано в работе М. Пане (1969)
и частично приведено Г. С. Золотаревым (1974). В туннеле отме-
чались весьма высокие напряжения (измерены методом раз-
грузки) в широкой зоне контакта и, вероятно, надвига, достигав-
шие щ=550 ч-1900 и 02=404-1900 бар1 (ПК 3850); аналогично,
в массивных гранитах (ПК 5635) напряжения были: щ=450-М20
и 02=174-145 бар. На тех же и других интервалах (ПК 1700,
3170—3245, 4502—4565) наблюдались сильные и частые горные
удары, разуплотнение пород, их отслаивание по трещинам и плас-
там. Кроме того, при перепаде температуры в массиве и внутри
туннеля на 15° С и более возникала дополнительная разгрузка
напряжений и усиливалась общая трещиноватость. Для предот-
вращения опасных вывалов на ПК 4451—4565 в стенке туннеля
было установлено более 6000 анкеров и бетонные упоры.
На больших глубинах, например в несколько сотен и более
метров, в трещиноватых блоко-складчатого залегания вулкано-
генно-осадочных породах байоса (Большой Кавказ) и в вышеле-
жащей песчанико-аргиллито-угольной толще бата были пройдены
подземные выработки, в которых происходили многочисленные
горные удары с энергией 109 Дж на 1 пог. м (глубина 1006 м)
в результате снятия естественных напряжений. Особенно интен-
сивные горные удары были в пачках углей, обладающих проч-
ностью на сжатие осж от 3,5 до 11,5 МПа и модулем деформации
Ео до 1000 МПа при влажности 6—12% (по И. М. Петухову).
В угольных пачках горные удары обычно проявляются при коэф-
фициенте потенциальной удароопасности Ку^0,7, представляю-
щем отношение упругих деформаций еу к полной деформации
80, что соответствует коэффициенту влажности —0,85,
т. е. 8—9%. На глубине 450 м проводились наблюдения за про-
движением напряжений омакс в глубь массива: через сутки
Омакс=8 МПа замерено на расстоянии 4 м, через 15 суток эта
величина была на 9 и через 30 суток на 10 м от стенки выработ-
ки. Через 30 дней отмечались различные смещения реперов, ус-
тановленных на расстояниях 2; 4 и 6 м от стенки выработки (при
глубине ее заложения 660 м от поверхности земли), отражающие
деформации в пласте угля и оцениваемые в 90, 70 и 45 см.
Современные подвижки по разломам и сейсмичность. При
размещении подземных сооружений в горно-складчатых областях
не всегда удается избежать зон разломов и крупных трещин, ко-
торые могут быть сейсмогенными и потенциально активными. Это
один из- самых сложных вопросов инженерно-геологических и
сейсмотектонических исследований; если по разлому реальны
1 1 бар примерно равен 0,1 МПа.
255-
подвижки, то обеспечить надежность сооружения трудно. В прак-
тике строительства имеются примеры пересечения тектонических
зон и крупных трещин, которые при изысканиях обычно обознача-
ются под номерами, а также разломов, чаще под собственными
названиями. На схеме и разрезе подземных сооружений Рогун-
ской ГЭС (см. рис. 6.8) показаны Ионашский глубинный разлом,
расположенный под верховым откосом каменно-набросной плоти-
ны, по которому происходят незначительные подвижки, что под-
тверждено многолетними инструментальными наблюдениями; ма-
лые разрывы № 35 и 28, вероятно, малоактивные и пересекаемые
водоотводящими туннелями.
Северо-Муйский туннель проходит в Верхнеангарском (Муй-
ском) горном массиве вблизи Перевального глубинного разлома
и пересекает оперяющие многочисленные тектонические разломы,
при сгущении образующие зоны нарушений, шириной в десятки
и первые сотни метров (Солоненко и др., 1985, с. 140—142). Пе-
ревальный разлом и, возможно, наиболее крупные из оперяющих
являются активными при сильных землетрясениях. Поэтому на-
ряду с применением усиленного крепления особой конструкции
допускаются такие деформации туннеля, которые нарушают не-
прерывность его эксплуатации, но исключают катастрофические
последствия. Это обеспечивается непрерывными наблюдениями
у опасных разломов системой различных датчиков, регистрирую-
щих изменения напряжений и напоров подземных вод, образова-
ние трещин в обделке, перемещения, автоматически связанных
со светоблокировкой и преграждающих въезды в туннель или пе-
рекрывающих движение воды по нему. В подобных тектонических
условиях, при крайней необходимости создания подземных соору-
жений, неизбежен риск, который должен быть геологически, ин-
женерно и экономически оценен специальными исследованиями.
Влияние сейсмичности на состояние массивов пород и подзем-
ных сооружений необходимо рассматривать дифференцированно.
Сильные землетрясения и подвижки по разломам, которые чаще
являются сейсмогенерирующими, неразрывно связаны между со-
бой; в приповерхностной толще пород эти явления могут проис-
ходить раздельно. Необходимо различать сейсмопроявления на
поверхности земли над туннелем, на участках порталов и в глу-
бине массива. Исследования в районах туннелей БАМа (Соло-
ненко и др., 1985) показали, что в зависимости от состава и мощ-
ности четвертичных обломочно-песчано-глинистых грунтов (ур—
=420—980 м/с) и коры выветривания гранитов (цр=1600—
2400 м/с) внутри основного Северо-Муйского гранитного массива
и вне зон разломов (цр=4000—4400 м/с) фоновая (районная)
балльность может быть снижена до 1,1 балла, а для участков, сло-
женных раздробленными гранитами, прикрытыми обводненными
четвертичными образованиями, увеличена на 1—1,7 балла. При
оттаивании многолетнемерзлых пород сейсмическая опасность
внутри массива скальных пород Кодорского туннеля возрастает
с 7,7 до 8,3 балла, а на припортальных участках, сложенных об-
256
ломочными грунтами, возрастает до 9,3 при общей фоновой сейс-
мичности около 9 баллов.
Водопритоки и гидродинамическое давление. Гидрогеологичес-
кие условия массивов, в которых создаются туннели или камеры
для подземных объектов, — важный фактор для определения тех-
нологии строительных работ, системы осушения и типа крепления.
Внезапные прорывы подземных работ, часто сопровождаемые вы-
носами в значительных объемах плывунных песков, глинисто-
дресвяных масс из зон разломов и карстовых полостей, а также
выбросы газа существенно осложняют проходку и опасны, так
как разрушают и затапливают оборудование и могут привести
к гибели людей. Подземные воды, в том числе термальные и осо-
бенно высоконапорные, способствуют вывалам пород в подземную
выработку, оказывают гидростатическое давление на крепь, не-
редко большое, вызывая необходимость ее усиления; воды могут
обладать высокой агрессивностью на бетон.
В практике проектирования и строительства туннелей доста-
точно много примеров проходки их в сложных гидрогеологических
и инженерно-геологических условиях, с остановками работ и дру-
гими трудностями, которые в конце концов были преодолены.
Показателен опыт создания двух гидротехнических туннелей
Арпа-Севан общей длиной 48,3 км, построенных для переброски
вод в оз. Севан в объеме 270 млн м3 в год. Туннели имеют сече-
ния 3,4X3,75 м и их проходка осуществлялась одиннадцатью за-
боями от четырех шахт; наибольшая глубина заложения второго
туннеля составляет 1100—1200 м, и он на значительном протяже-
нии проходит под долиной р. Варденика, что отразилось на уве-
личении водопритоков через зоны нарушений.
Согласно В. К. Разумову и С. С. Даниеляну (1981) и другим
данным, туннели пересекают Ахтинскую мегаантиклинальную зо-
ну с региональным глубинным разломом шириной свыше 1000 м
и амплитудой перемещения более 1500 м, а также многочислен-
ные тектонические зоны и разрывы (рис. 6.5). Туннели проложе-
ны в разнообразных породах со сложным взаимоотношением в за-
легании — базальтах, андезитах, порфиритах, туфопесчаниках,
лаво- и туфобрекчиях с прослоями глин. Анкаван-Сюникскйй
глубинный разлом, расположенный между забоями № 8 и 9, по-
гребен под лавовым потоком, зона его дробления представлена
глиноподобными брекчиями с глыбами андезитовых порфиритов,
с термальными водами (/«38° С). При строительстве туннелей
встретились с различными негативными и опасными горно-геоло-
гическими явлениями, часть которых и их масштаб не прогнози-
ровались. Горное давление (25 МПа) в 2,5 раза превысило рас-
четное, вызвало приостановку проходки и необходимость приме-
нения усиленного крепления чугунными тюбингами с внутренним
железобетонным кольцом толщиной 50 см. Для разных инженер-
но-геологических условий и обводненности в туннелях было при-
менено 13 типов крепления и осуществлялась различная техно-
логия проходки.
257
Рис. 6.5. Схематический геологический разрез по Арпа-Севанскому гидротехни-
ческому туннелю (по X. А Бабаяну и др., 1981):
1 — лавы (базальты и андезитобазальты); 2 — шлаки; 3 — лавы (андезиты);
4 — конгломераты, песчаники, туфы, андезитобазальты; 5 — порфириты; 6 —
туфопесчаники, туфобрекчии; 7 — тектонические зоны нарушений; 8 — регио-
нальный разлом; 9 — участок прорыва подземных вод и газа
Водопритоки подземных вод с давлением до 50 атм были зна-
чительны, многочисленны и приурочены к зонам крупных разло-
мов. На отдельных участках 1-го и особенно 2-го туннеля водо-
притоки составляли 100 л/с (ПК 467+19), 200 (ПК 474—475),
270 (ПК 481) и 350 л/с вблизи выходного портала. По прогнозу
общий водоприток оценивался в 560 л/с, фактический составил
более 1000 л/с. Нередко водопритоки проявлялись в виде прорыва
напорных вод и сопровождались вывалами породы различных
объемов; наибольший, до 2500 м3, был в июле 1976 г, с образо-
ванием свода обрушения высотой 4—5 м.
При проходке 2-го туннеля, в забое № 8, при отпалке шпуров
в зоне глубинного разлома в марте 1972 г. произошли выбросы
породы (примерно 600 м3) и углекислого газа (105 тыс. м3), при-
остановившие работы; после ликвидации аварии возник повтор-
ный, более мощный выброс породы и газа, приведшие к тяжелым
последствиям.
Строительство Ялтинского гидротуннеля, предназначенного
для переброски питьевой воды на Южный берег Крыма из водо-
хранилищ северного склона, осуществлялось по проекту без до-
статочных инженерно-геологических и гидрогеологических данных
и предполагалось, что из закарстованных известняков Яйлы бу-
дут обильные водопритоки, оцениваемые расчетами в 2,301 м3/ч и
более, с напором до 50—60 атм. В действительности, как следует
из работы Ю. И. Шутова и др. (1971), суммарный водоприток со-
258
ставил всего 271 м3/ч из 10 гидрогеологических зон, объединяю-
щих 61 водопроявление из трещин, с отдельными прорывами до
200 л/с. Характерно, что из разобщенных частей закарстованного
массива были малые водопритоки. Ялтинский туннель с южного и
северного порталов пройден в среднеюрской песчанико-аргилли-
товой толще примерно по 1500 м, а средняя часть туннеля (не-
сколько более 4 км) в верхнеюрских известняках. В них вскрыто
6 зон тектонических разломов и повышенной трещиноватости,
шириной по 100—200 м, в которые вдавлены обломочные глини-
стые уплотненные массы из подстилающих пород средней юры.
Это превращало зоны разломов в практические водоупоры, а во-
допроводящими являлись сопряженные трещины.
Несколько неожиданная гидрогеологическая обстановка трас-
сы туннеля и большая неравномерность обводнения массивов по
глубине и простиранию обусловлены наличием в верхней толще
известняков слабопроницаемых пачек мергелей и разломных зон.
С этими особенностями геологического строения следует увязы-
вать пространственную неравномерность закарстованности Ял-
тинского массива. Обводненность песчанико-аргиллитовой толщи
средней юры незначительная, проявлялась по трещинам в виде
капежа и струй; в одном из разломов выходили хлоридно-натрие-
вые воды с минерализацией 6,8 г/л, что указывает на редкую ло-
кальную проницаемость в целом регионального водоупора сред-
неюрского и таврического комплексов пород.
Водопритоки и связанные с ними прорывы плывунных песча-
ных и дресвяно-глинистых масс в строящиеся туннели и другие
подземные выработки различны, чаще неравномерны и обуслов-
лены особенностями строения и обводнения закарстованных или
тектонически нарушенных водопроницаемых массивов пород. Так,
в строящийся туннель в сильно тектонически нарушенных разло-
мами и сопряженными трещинами гранитном массиве водоприто-
ки на отдельных участках составляли 500—800 м3/ч, а макси-
мальный в виде прорыва был около 2000 м3/ч и сопровождался
выносом грунта. По прогнозам общий водоприток при пересече-
нии 15-километровым туннелем всех разломных зон может со-
ставить 15000 м3/ч при гидростатическом давлении до 30 атм;
после сработки статических запасов он, вероятно, уменьшится.
В подобных случаях обязательна проходка опережающих дре-
нажных скважин и галереи или вспомогательного туннеля, кото-
рый помимо частичного осушения массива может использоваться
для проведения разведочных и экспериментальных геомеханиче-
ских работ, для транспорта стройматериалов, вентиляции и т. п.
В Японии закончено строительство двухпутного железнодо-
рожного туннеля «Сейкан» под проливом Цугара, соединяющего
О-ва Хонсю и Хоккайдо, длиной 53,85 км, с наибольшей глубиной
заложения от дна пролива 100 м и при 140-метровом слое воды.
Туннель пересек 13 широких сейсмически активных тектониче-
ских разломов; -из каждого из них приток воды достигал 700—
720 м3/ч, при давлении до 12 атм. Туннель проложен в различных
259
комплексах пород, преимущественно в туфах, базальтах (около
10 км) и песчаниках разной прочности; в зонах разломов встре-
чены дробленные породы и глинистые массы. Проходка туннеля
осуществлялась горным комбайном диаметром 4,5 м, а в слож-
ных условиях и раздробленных зонах с нагнетанием цементного
раствора с жидким стеклом. На участке пролива (24—25 км) ос-
новному туннелю предшествовала проходка на 300—500 м пилот-
туннеля и вспомогательного туннеля обслуживания. Для обосно-
вания проекта и строительства туннеля в течение нескольких лет
выполнялись комплексные инженерно-геологические изыскания:
аэро- и подводная фотосъемки, сейсморазведка, подводная маг-
нитная локация, бурение скважин, в том числе с помощью бати-
скафа.
Оригинальны и поучительны гидрогеологические и инженер-
но-геологические исследования, выполненные при реконструкции
дренажной системы на крупнейшем в Словакии полиметалличе-
ском месторождении Банска-Штавница. Согласно материалам
(подготовлены П. Вагнером), построенная в средние века дре-
нажная галерея вышла из строя; в последние годы приступили к
строительству новой, длиной около 14 км, сечением 8,4 м2, для
сброса дренажных вод в объеме 1,42 м3/с. Дренажная галерея
проходилась буровой машиной «Вирт» диаметром около 3—5 м;
она обеспечила высокий уровень геологической и геомеханиче-
ской документации, необходимой для обоснования длительной
устойчивости сводов и выбора крепления. Геологическое строение
оказалось значительно более сложным, чем предполагалось; фак-
тические места и расходы водопритоков также были иными. На
исполнительном геологическом разрезе (рис. 6.6) начального
участка дренажной галереи прослеживается четкая приурочен-
ность водопритоков и обрушений к зонам малых и крупных тек-
тонических нарушений, особенно в зоне надвига; участки в анде-
зитах монолитного сложения были практически безводны и с
устойчивыми сводами. При проходке галереи детально картиро-
вались строение массива и его трещиноватость, слабые и значи-
тельные водопритоки и вывалы, проведено 20 опытов со штампа-
ми для определения модуля деформации, показавших большой
разброс величин, выполнены многочисленные испытания свойств
пород на образцах разного размера и сейсмопрофилирование с
шагом 2,5 и 5 м. На основе данных этих исследований установи-
лись типы крепления свода и стенок подземной выработки, а так-
же участки, где в нем нет необходимости.
Сооружения метро. Для решения транспортных проблем в
крупных городах (население более 1 млн человек) строятся мет-
рополитены, состоящие из комплексов сооружений: перегонные
туннели, станции, вагонные парки и др. Строительство подзем-
ных сооружений метро происходит на разных глубинах, под рус-
лами рек, в погребенных долинах и в условиях существующей за-
стройки, исключающей какую-либо деформацию зданий города.
Это обусловливает особые требования к деятельности инженерно-
260
а=3- А
а < If,
? ! 5
Рнс 6 6 Инженерно геологический разрез дренажной галереи на месторождении Банска-Штавннца, ЧСФР (по материалам
И Буряка, П Мошко и Л Худеца в обработке П Вагнера, 1984 г )
Цифры в кружках 1 — четвертичные отложения — суглинки, щебень, 2 — глины туфовые, неогеновый вулканогенный комп-
чня пироксен амфиболитовых андезитов, неогеновые интрузивы андезитовая, 6 — андезиты пироксен амфиболитовые 7 — брек
леке 3 — липариты, 4 — андезиты пироксеновые, 5 — брекчия 8 — граниты аплитовые, 9 — порфиры кварц диоритовые, 10 —
гранодиориты, зона надвига 11 — сланцы и песчаники, пестрые, 12 — триасовые доломиты кристаллические с включениями ро
говнков, 13 — тектонические зоны с милонитом
А — модуль трещиноватости (количество трещин на метр) а — 50—5, б — 5—0,5 Б — водопритоки а — слабые, б — значи
тельные, В — вывалы а — одиночные, б — крупные, Г — модуль деформации, МПа 100, место испытания обозначено за
литой точкой; Д — крепление а — торкрет-бетон, б — нормальное, в — усиленное
геологического обоснования проектов и к производству строитель-
ных работ, а также к своевременному выполнению укрепитетьных
мероприятий При небольших глубинах заложения туннелей мет-
ро и станций (до 10—15 м) нередко представляется целесообраз
ным строительство в открытом котловане, как, например, на ряде
участков метро в Праге (рис 6 7) В этих случаях вопросы устой-
чивости откосов котлована и их укрепление в условиях города,
водопонижение и предупреждение суффозии, оценка деформируе
мости и надежности пород в основании существующих сооруже
ний являются главными
При строительстве туннелей и других сооружений метро в
Москве, Киеве, Баку и других городах подземным способом, осуще-
ствляемым обычно проходкой с помощью специальных щитов, воз-
никали специфические инженерно геологические и геомехани«е
ские проблемы Нередко метро в городах было проложено в пес-
чано гравийных водоносных отложениях, в связи с чем осушение
толщи пород и связанные с ним возможное их уплотнение, суф-
фозия, прорывы вод и плынувов, образование мульд, сдвижение
Рнс 6 7 Строительство станций метро «Вптавская» н «Смиховскии вок’ат» в
Праге в открытом Аоттоване глубиной 18 м вверху аллювиатьиые пе tanorpa
вийные грунты в дне — тейпенские сланцы (фото из букпета «Пражское мет
ро»)
262
на поверхности земли, разуплотнение и выпор, обрушение в сво-
дах представляли большие трудности для строительства. Они не-
ожиданно возникали при недостаточной изученности инженерно-
геологических и гидрогеологических условий, из-за отступлений
от проекта и нарушения технологии строительных работ. В зави-
симости от конкретных условий для предотвращения негативных
последствий и обеспечения строительства применялось, к сожа-
лению, не всегда своевременно, закрепление потенциально плы-
вунных грунтов методами силикатизации, замораживания, шпун-
тово-свайных ограждений, водоотлива и др. При проходке тунне-
лей в Москве горное давление в верхнеюрских глинах составляло
до 40% от природного, а в каменноугольных глинах до 25%; от-
мечались разуплотнение и выпор глин в забоях.
Прорывы плывунов и вод в значительных объемах в выработ-
ки метро глубокого заложения — достаточно частые случаи при
отступлении от правил строительной технологии; они вызывали
сдвижение вышележащих толщ и деформации городских зданий.
Проходка с применением водопонижения и кессонов вызывала
образование водовоздушной смеси и ее прорывы, поднятие уров-
ней грунтовых вод и агрессивность среды вследствие биохимиче-
ских процессов, коррозию туннельных обделок и т. д.
В результате опыта строительства метро в разных городах
страны сформулированы практические рекомендации и критерии
для прогноза возникновения негативных явлений, оценки надеж-
ности и устойчивости пород во времени в кровле и забое в зави-
симости от геологического строения, подземных вод и параметров
выработки. Для проходки туннелей и станций метро особенно
важна оценка временной устойчивости выработки до установки в
ней надежного крепления. Для туннелей мелкого заложения в
Москве, пройденных щитами без уплотнительного кольца,
Г. Н. Сазонов приводит следующие величины (глубины) мульды
сдвижения на поверхности земли, которые могут быть опасными
для устойчивости наземных зданий: в песках до 20 см и в суглин-
ках 7,5 см. Глубокое заложение метро нежелательно, так как
усложняется его эксплуатация, увеличивается время на спуск и
подъем. В ряде случаев из-за неблагоприятных инженерно-геоло-
гических условий и по другим соображениям было необходимо
или углублять сооружения, или выводить трассу на поверхность и
пересекать реку метромостом, как, например, в Москве, Киеве и
Новосибирске.
Камеры для подземных зданий ГЭС, АЭС и промобъектов
Эти объекты обычно возводятся на значительных глубинах, опре-
деляемых назначениями и компоновками сооружений, и имеют
большие параметры. Поэтому размещение их в наиболее благо-
приятных инженерно-геологических условиях существенно для на-
дежности и по эколого-экономическим соображениям. Имеется
1 При проработке этого раздела рекомендуется ознакомиться со статьями
«Трудов Гндропроекта» (1981, № 78).
263
Рис 6 8 Схема и разрез размещения подземных сооружений Рогунской ГЭС
(из материалов Гидропроекта, В Ф. Илюшин, А В Количко, 1981)
7 — водоприемник ГЭС, 2 — шахта, 3 — машинный зал, 4 — трансформаторы
и затворное устройство, 5 — отводящие туннели, 6 — дренажные туннели и
скважины, 7 — стальной трубопровод, 8 — шпуровые дрены, 9 — зацементиро-
ванная порода, 10 — песчаники, 11 — алевролиты, 12 — тектонические раз
ломы с зонами дробления (I — Ионашский, глубинный и II — малые, № 28 и
№ 35), 13 — контур плотины, 14 — А—А, Б—Б, В—В и Г—Г (поперечные раз-
резы)
достаточный опыт проектирования и строительства подземных
ГЭС и АЭС, нефтегазохранилищ, промышленных и других объек-
тов в разных условиях; однако практически на многих из них воз-
никали трудности, чаще из-за недостаточности инженерно-геоло-
гических данных о прогнозе горного давления, вывалах, выпоре,
водопритоках, прорыве плывунов и др. Опасным явлением, влеку-
щим серьезные деформации, представляются современные по-
движки по тектоническим разрывам в случаях, если сооружения
расположены непосредственно на разломах или в зоне их влия-
ния.
Подземные сооружения Рогунской ГЭС на р. Вахше — тунне-
ли строительные, подводящие напорные, обводящие безнапорные
и дренажные; шахты, камеры для машинного зала и для транс-
форматоров— размещаются в сложном по строению массиве ниж-
немеловых песчаников и алевролитов, дислоцированных, с не-
сколькими системами тектонических трещин и разломами
(рис. 6.8). Узкие (шириной 1—3 см) трещины выполнены влаж-
ной глинкой трения с параметрами сцепления С=0,005 МПа и
углом трения <р=28—30°. Более крупные разрывы, например № 35,
27 и другие на рис. 6.8, с преобладающей шириной до 20 см
участками значительно расширены и образуют линзы тектониче-
ски дробленных масс. Крупные тектонические трещины типа
№ 35 являются оперяющими к глубокому Ионашскому разлому,
имеющему четко выраженный шов и зону дробления до 80—100 м
(см. рис. 4.2, с. 84 в книге Г. С. Золотарева «Инженерная геоди-
намика», 1983). Характерная особенность этих разрывов — их со-
временная подвижность, оцененная по данным режимных наблю-
дений; в случае землетрясения силой 9 баллов возможные вели-
чины перемещений составят до 10—15 см по тектоническому раз-
рыву № 35 и несколько десятков сантиметров по основному
(Ионашскому) разлому.
Аргиллито-песчаниковый массив левобережья Нарына, в ко-
тором возводятся подземные сооружения ГЭС, в целом малово-
допроницаем и находится в сложном напряженно-деформирован-
ном состоянии. Горизонтальные напряжения, измеренные метода-
ми разгрузки и сейсмоакустическими, примерно на уровне реки в
1,5—2,5 раза выше вертикальных, литостатических; это указы-
вает на наличие тектонической составляющей напряжений ориен-
тировочно в 10—12 МПа.
Сложная инженерно-геологическая обстановка и большие па-
раметры подземных сооружений Рогунской ГЭС предъявляют
серьезные требования к их проектированию: 1) обязательность
размещения камер для машинного зала, трансформаторов и
шахт и по возможности других объектов в одном тектоническом
блоке; 2) ввиду неизбежности пересечения отводными туннелями
потенциально активной тектонической зоны № 35 их конструкция
и крепление должны быть особыми; начало возможных их де-
формаций должно автоматически фиксироваться с последующей
приостановкой эксплуатации для безопасности и принятия ава-
265
рийных мер; 3) • при проходке больших камер, например для ма-
шинного зала (200X70X30 м на глубине 420 м), произойдет не-
равномерная по величине и времени разгрузка высоких естест-
венных напряжений и разуплотнение массива, что может вы-
звать большое горное давление, вывалы и т. п.; поэтому произ-
водство работ и типы крепления должны свести к минимуму эти
негативные явления. Водопритоки в подземные выработки Рогун-
ской ГЭС не представляют опасности, а прорыв вод и плывунов
маловероятен. Для погашения гидродинамического давления
осуществляют достаточно сложную систему дренажных галерей и
скважин в сочетании с инъекционными завесами, учитывая высо-
кий напор на плотине (300 м). Пространственное размещение и
глубина дренажей и противофильтрационных завес определяются
особенностями геологического строения—сетью наиболее круп-
ных тектонических трещин, являющихся основными путями филь-
трации.
В зарубежной и отечественной научной литературе рассматри-
вался вопрос о технической возможности и целесообразности соз-
дания ГАЭС с подземным бассейном на глубинах 900—1300 м в
районах равнинного рельефа, например в пределах Балтийского
щита (Ленинградская ГАЭС). Камера для подземного бассейна
объемом 2,2—2,5 млн м3 создается обрушением при взрыве гор-
ной массы в специальных разведочно-подготовительных выработ-
ках. Наиболее трудными инженерно-геологическими и геомехани-
ческими задачами являются оценка напряженно-деформирован-
ного состояния массива пород, прогноз упругих и упругопластиче-
ских деформаций пород, горного давления, устойчивости свода и
стен при устройстве большой камеры в условиях высоких напря-
жений и необходимости установления их пространственного рас-
пределения. Методы определения напряжений в скважинах на
подобных глубинах разработаны, и геомеханические задачи прин-
ципиально разрешимы при достаточной геологической изученно-
сти массива.
В перспективе актуальна проблема строительства АЭС с раз-
мещением зданий реактора в подземных условиях, надежных в
инженерно-геологическом отношении. Чувствительность сооруже-
ний АЭС к величинам и неравномерности деформаций пород
(предельный наклон плиты основания до 0,001), обводненности,
возможным высоким напряжениям и другим особенностям геоло-
гической среды при больших размерах камеры усложняет задачи
и ответственность инженерно-геологических исследований.
Подземные емкости объемом 500—1000 м3 и более, а в от-
дельных случаях во многие миллионы кубометров, на глубинах
50—150 м и ниже, для хранения нефти, сжиженных газов и дру-
гих продуктов, наряду с проходкой шахтным способом создаются
методами взрывов в толщах глинистых пород; это обусловливает
специфические задачи инженерно-геологических изыканий. Соз-
дание полостей допускается в нормально уплотненных однород-
ных влажных глинах и суглинках мощностью более 20 м при ус-
266
ловии сохранения верхнего и нижнего целиков, предохраняющих
от утечек жидкостей и газа; наличие напорных вод усложняет
создание взрывом полостей. Непригодными являются как мало-
уплотненные, водонасыщенные песчано-глинистые плывуны и
лёссы, так и литифицированные глинистые породы, например
алевролиты и глинистые сланцы, а также грунты, не обладающие
физико-химической инертностью к нефтепродуктам и углеводо-
родным газам. К выбору площадок для подземных нефтегазохра-
нилищ предъявляется ряд требований по микрорельефу, отсут-
ствию негативных явлений (карст, оползни и др.), близлежащих
водоемов и коммуникаций, а также по обеспечению безопасности
при взрывных работах. Проведение инженерно-геологических
изысканий регламентируется соответствующими инструкциями.
Подземные камеры и полости глубокого заложения создаются
вновь или расширяются существующие (например, в закарстован-
ном массиве) различных размеров, в зависимости от целевого их
назначения с учетом особенностей геологической среды. Строи-
тельство камер для крупных складских помещений, убежищ, про-
мышленных и других объектов специального использования воз-
можно разными способами проходки (горным, взрывами, гидро-
механизацией и др.)- Решение транспортных связей, систем креп-
ления, допустимость водоотлива, а также эксплуатация подзем-
ных сооружений предъявляют специфические требования к инже-
нерно-геологическому обоснованию и проектирован! о. Эти усло-
вия отражаются на типе и конструкции подземных сооружений и
на производстве строительных работ, требованиях к надежности
объектов разного класса, а следовательно, на задачах, содержа-
нии и методах выполнения инженерно-геологических изысканий.
Негативные горно-геологические явления и факторы, их вызы-
вающие, встречающиеся при строительстве рассматриваемых под-
земных сооружений, сходны с подробно охарактеризованными
для туннелей и ГЭС; основные положения методики инженерно-
геологических изысканий, включая стадийность, должны быть
едиными, но с учетом специфики объекта и режима его эксплуа-
тации.
Влияние многолетней мерзлоты на создание подземных соору-
жений. Водоводные туннели, шахты и подземные здания Усть-
Хантайской, Вилюйской, Колымской и других ГЭС, а также мно-
гие промобъекты размещаются в гранитах, долеритах и иных
скальных многолетнемерзлых породах, которые обусловливают
специфические деформации в подземных выработках. Гранитный
массив, в котором созданы подземные сооружения Колымской
ГЭС (рис. 6.9), трещиноватый, с тектоническими разломами и
мощной обломочной зоной выветривания, находится в мерзлом
состоянии. Физико-механические свойства скальных пород суще-
ственно изменяются при оттаивании; так, у гранитов района Ко-
лымской ГЭС, по данным А. А. Кагана и Н. Ф. Кривоноговой
(1978), модуль деформации уменьшается в 2—8 раз (от 554-95Х
X 103 до 40-7-6-103 МПа). В зависимости от литологического ти-
267
Рис. 6.9. Схематический инженерно-геологический разрез подземных сооружений
Колымской ГЭС (А. А. Коган, Н. Ф. Кривоногова, 1978):
1 — аллювий р. Колымы; 2 — делювий обломочно-суглинистый; 3 — граниты
биотитовые, сохранные, трещиноватые; 4 — тектонические нарушения; обломоч-
ная и трещинная зоны выветривания: 5 — зоны повышенной трещиноватости,
6 — снльнотрещиноватые и 7 — интенсивно выветрелые; 8 — изолинии средне-
годовых температур; 9 — верхняя граница многолетнемерзлых пород; 10 — во-
доприемник; 11 — напорный туннель; 12 — машинный зал; 13 — отводящий
туннель; шахта
па и трещиноватости пород, их льдистости, теплового режима при
производстве работ и оттаивании наблюдаются увеличение выва-
лов, отслаивание и переборы при проходке выработок; например,
для туннелей Вилюйской ГЭС переборы составили в среднем
20,4 м3 на 1 м длины. Особенно значительно возрастание вывалов
из-за нарушения установленной технологии горных работ. Не-
предсказанное при изысканиях вытаивание льда из трещин и по-
лостей может привести к прорыву напорных вод, связанных с
крупными таликами по разломам, затоплению выработки и иным
затруднениям. Изменение термонапряженного состояния пород,
вмещающих подземные сооружения, осложняет выполнение креп-
ления и бетонных работ.
§ 2. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Подземные сооружения активно и разнообразно взаимодействуют
с геологической средой, возникают негативные и опасные инже-
нерно-геологические процессы, которые своевременно должны
быть выявлены и оценены, а также предусмотрены и осуществле-
ны укрепительные меры по обеспечению надежной эксплуатации
объектов. В перспективе подземные сооружения будут строиться
268
все более сложных типов, на больших глубинах и многопланового
назначения. Рациональное размещение в глубине массива под-
земных сооружений, их конструкция, выбор территории для на-
земных частей комплекса, производство работ в существенной
степени определяются сложностью инженерно-геологических ус-
ловий. Инженерно-геологические исследования призваны с доста-
точной достоверностью на всех стадиях обосновать проектирова-
ние, строительство и эксплуатацию подземных сооружений.
Инженерно-геологические явления, возникающие при созда-
нии подземных сооружений, указывают, что в зависимости от ус-
ловий, размеров и способов производства работ могут образо-
ваться парагенетические ассоциации. Несмотря на неодинаковое
влияние разных инженерно-геологических процессов на устойчи-
вость подземных выработок и на производство работ, обусловли-
вающие их факторы и компоненты геологической среды могут
быть сгруппированы и определена рациональная методика иссле-
дований, исходя из основных ранее рассмотренных принципов.
Изучение основных компонентов геологической среды: стратигра-
фо-литологических комплексов и типов пород, складчатых и раз-
рывных структур, характера и интенсивности трещиноватости
массивов пород разных уровней, их геомеханических свойств и
напряжений, строения и распространения зон выветривания —
всегда являются важными задачами инженерно-геологических ис-
следований. Закономерности формирования и движения подзем-
ных вод, их уровенный и химический режимы, степень обводнен-
ности массивов пород и зон нарушений определяют водопритоки,
систему водопонижений и представляют ответственные задачи ис-
следований. Прогноз и оценка горного давления и ударов, выва-
лов трещиноватых и выпора глинистых пород и других деформа-
ций массива, вмещающего подземную выработку, осуществляют-
ся с разной детальностью, в зависимости от стадий исследований,
параметров и назначения сооружений и роли подземных вод.
Одной из задач является изучение деформационных и проч-
ностных свойств пород в объемах от образца до массивов разных
размеров, включая всю неоднородную сферу воздействия соору-
жений. Показателями геомеханических свойств пород для расче-
та крепления и определения технологии строительства являются:
модуль деформации (£о), коэффициент Пуассона (ц), коэффици-
ент отпора (Ло), коэффициент крепости по Протодьяконову (/к),
прочность на сдвиг и разрыв, объемная масса. Для экстраполя-
ции показателей свойств и напряженного состояния пород, опре-
деленных на образцах малых объемов, на массив с учетом его
литологической и трещинной изменчивости используются сейсмо-
акустические характеристики, в первую очередь скорости про-
дольных (vp) и поперечных (us) волн, динамический модуль
упругости (Ed)- Установлены зависимости между показателями
деформационных свойств, в меньшей мере напряженного состоя-
ния и прочности пород, определенных натурными геомеханически-
ми и лабораторными испытаниями, и данными сейсмоакустиче-
269
ских исследований. Для предварительной оценки состояния и по-
ведения массива пород при создании подземных выработок пред-
ложены различные эмпирические классификации, обычно осно-
ванные на наблюдениях в конкретном районе, и поэтому имею-
щие ограниченное применение. Например, к их числу относится
классификация по потенциальному коэффициенту устойчивости т)
кровли выработки, учитывающему главным образом геологиче-
ские факторы, но недостаточно отражающему горнотехнические.
Авторы этой классификации М. П. Бурцев и С. И. Малинин изу-
чали преимущественно устойчивость горных выработок в Донбас-
се и рекомендуют следующую зависимость (см. Ломтадзе, 1986,
с. 244):
mRcK
уНд ’
где т| — коэффициент устойчивости незакрепленной кровли под-
земной выработки, имеющий шесть градаций с величинами от
4—6 для весьма устойчивых пород до 0,8 для весьма неустойчи-
вых; т — толщина вскрытых пластов, м; Rc — временное сопро-
тивление сжатию; К— величина, обратная площади незакреплен-
ного пространства; Н — глубина залегания от поверхности земли,
м; у — средняя объемная масса пород, залегающих выше кровли;
q — коэффициент трещиноватости, равный корню квадратному от
общего числа трещин на 1 м2 кровли. Для наклонно и круто за-
легающих пластов полученное значение умножается на 1+tga,
где a — угол падения пород.
Разработаны общие классификации, характеризующие масси-
вы пород для оценки их состояния и горного давления, из которых
наиболее широко применяются классификации М. М. Протодья-
конова, 3. Т. Биениавского (1973) и Бартона-Лунд (1974).
М. М. Протодьяконов отмечал, что величина коэффициента кре-
пости пород /к неодинакова в отношении оценки буримости, от-
бойки, горного давления, устойчивости кровли, и предложил
классификацию, в которой для разных пород fK изменяется от 0,3
(плывуны, болотные грунты) до 20 (весьма крепкие кварциты и
базальты). Допускается приближенное определение коэффициен-
та крепости пород по эмпирической зависимости: /к—що v’ где
v — поправочный коэффициент, учитывающий степень трещинова-
тости и имеющий величины от 0,1 до 0,9.
В руководстве Гидропроекта по изысканиям для туннелей
(1978) рекомендуется различать показатели крепости пород для
оценки' их разрабатываемости и для устойчивости сводов (горно-
го давления); там же приводятся показатели коэффициентов бо-
кового отпора (Ко) и Пуассона (ц), необходимые для расчетов
крепления подземной выработки. Для туннелей круглого сечения
коэффициент бокового отпора связан с модулем деформации (Е)
и коэффициентом Пуассона следующей зависимостью: Ко —
= ——--------. Величина Ко, по данным Гидропроекта, для разных
100 (1 + р.)
270
Геомеханическаа классификация массивов скальных пород, по 3. Т. Биеииавскому
А. Параметры пород и их оценка
Таблица 6.2
Параметры Значения
Прочность породы точечная прочность, МПа >10 4—10 2—4 1—2 —
прочность на одноосное сжатие, МПа >250 250—100 100—50 50—25 для непрочных пород
25—5 5—1 <1
Оценка, баллы 15 12 7 4 2 1 0
Качество керна RQD, % 90—100 75—90 50—75 25—50 <25
Оценка, баллы 20 17 13 8 3
Расстояние между трещина- ми, м >2 0,6—2 0,6—0,2 0,06—0,02 <0,06
Оценка, баллы 20 15 10 8 5
Особенности трещин очень шероховатые, прерывистые, сомк- нутые, иевыветрелые стенки слабошероховатые раскрытие <1 мм, сл абовыветрелые стенки слабошерохова- тые, раскрытие <1 мм, выветре- лые стенки следы скольже- ния, заполнитель <5 мм, раскры- тие 1—5 мм, сплошные мягкий заполни- тель, толщиной >5 м, раскры- тие >5 мм, сплошные
272
Продолжение табл.6.2
Оценка, баллы 30 25 20 10 0
Параметры Значения
Подземные воды приток на 10 м дли- ны туннеля, л/мин нет <10 10-25 25—125 >125
1 отношение давление воды в трещине 0 или сухо 0,0—0,1 или сыро 0,1—0,2 или влажно 0,2—0,5 или капеж >0,5 или течет вода
наиболее главное напряжение
общие условия
Оценка, баллы 15 10 7 4 0
Б. Оценка ориентации трещин (контактов)
Азимут и угол падения трещин очень благоприят- ные благоприятные малобл аг опр ият- ные неблагоприятные очень неблаго- приятные
Оценки туннели 0 —2 —5 —10 — 12
основания 0 —2 —7 —15 —25
откосы 0 —5 —25 —50 —60
Продолжение табл.6.2
В. Классы массивов по общей сумме баллов
Параметры Значения
Баллы 100—81 80—61 60—41 40—21 <20
Классы I II III IV V
Описание очень надежная «скала» надежная «скала» средняя «скала» ненадежная «скала» очень слабая порода
273
Г. Характеристики классов массивов
Класс I II III IV V
Среднее время устойчи- вости выработки при про- лете 10 лет 1=15 м 6 месяцев 1=8 м 7 дней 1=5 м 10 ч 1=2,5 м 0,5 ч /=1 м
Сцепление массива, КПа >400 300—400 200—300 100—200 <100
Угол трения пород мас- сива, град >45 35—45 25—35 15—25 <15
'пород изменяется.от 200—400 (прочные граниты) до 10—5 (су-
глинки, обломочно-глинистые грунты).
Для общих и предварительных оценок массивов пород заслу-
живает внимания геомеханическая классификация 3. Т. Биениав-
ского, основанная на использовании нескольких геологических
признаков, в результате которых по сумме баллов выделяется
пять классов массивов пород и дается обобщенная их характери-
стика (табл. 6.2).
Напряженно-деформированное состояние массивов пород раз-
ных уровней (объемов) и их геомеханические свойства являются
основой для прогноза и оценки горных ударов и давления, выва-
лов, разуплотнения, выпора, отслаивания и других негативных
инженерно-геологических процессов и явлений, развивающихся
во времени, при создании и эксплуатации подземных сооружений
в конкретной геологической среде. Выявить величины и распре-
деление естественных напряжений, их режим и изменения под
влиянием подземного строительства в сложнопостроенных мас-
сивах пород — задача трудная; применяются различные методы
на разных стадиях изысканий в зависимости от особенностей гео-
логического строения и глубины.
Группы задач по прогнозу и оценке процессов и явлений, в су-
щественной мере обусловленных подземными водами и измене-
нием их режима при строительстве подземных объектов, — водо-
притоки, прорывы вод и плывунов, суффозия, размывы внутри
массива, силовые воздействия и т. д. — требуют применения спе-
циальных гидрогеологических методов исследований. Они также
должны базироваться на представлениях о литолого-фациальных,
трещинно-структурных и других особенностях строения массива
пород и района в целом.
На всех стадиях изысканий — обоснование предпроектных ре-
шений (Схема), ТЭО, Проект и рабочая документация — главные
вопросы сохраняются, но детальность их изучения и методы су-
щественно различны. Направленность изысканий и конкретные
задачи обусловлены особенностями геологической среды, типами
подземных сооружений и способами строительства их. Примени-
тельно к туннелям и другим подземным объектам правильно вы-
делять две категории: «сложные» и «весьма сложные» инженер-
но-геологические условия; простые практически исключаются,
учитывая глубины размещения сооружений и особенности геоло-
гической среды. К первой категории — «весьма сложные» усло-
вия— следует относить районы и массивы пород, обладающие не-
однородным и анизотропным литологическим строением; интен-
сивной складчатостью, трещиноватостью и закарстованностью,
многочисленными тектоническими разрывами, особенно при их со-
временной подвижности; мощными зонами выветривания, пест-
рыми гидрогеологическими условиями и высоконапорными вода-
ми, значительными величинами естественных напряжений и сей-
смичностью; это преимущественно горно-складчатые области.
Районы и массивы, характеризующиеся более однородными ком-
274
Таблица 6.&
Детальность инженерно-геологических изысканий для проектирования
и строительства подземных сооружений, выраженная через масштабы
инженерно-геологических карт и районирование
Стадия изысканий в проектирования Виды сооружений и сложность инж.-геол. условий
туннели транспортные, гидротехнические н др. промобъекты, а дан ия АЭС и ГЭС, специальные
весьма сложные сложные весьма сложные сложные
Схема (выбор районов раз- мещения объектов и обосно- вание инженерной защиты) 1:25 000 1:50000 1:25 000 1:10000 1:50000
инженерно-геологическая съемка, геофизическая, разведка, единичные скважины и шурфы на типич- ных створах; обобщение фондовых материалов
Технико-экономическое обос- нование (ТЭО) (выбор места и типа сооружений, опреде- ление стоимости и эффектив- ности объектов в вариант- ных решениях) 1:10 000— 1:5000 1:25 ООО- МО 000 1:5000— 1:2000 1:10000— 1:5000
инженерно-геологическая съемка, разведка бурени- ем и горными работами в сочетании с сейсмо- и электроразведочными исследованиями; изучение (предварительное) напряженио-деформи- рованного состояния и физико-механических свойств массивов пород лабораторными экспериментами; на- чало режимных наблюдений за процессами и под- земными водами; ориентировочный прогноз ниже- нерно-геологическнх процессов и явлений
Проект 1:5000 1:10 000 1:1000— 1:500 1:2000— 1:1000
детализация отдельных участков с опасными яв- лениями в масштабе 1:2000 (порталы, зоны разломов, карста и т. п.); уточнение геологического строения, подземных вод, трассы туннеля; расчеты и прогноз опас- ных явлений, обоснование мер крепления проходки; выполнение съемки, всех видов разведочных работ, натурных геомеханических и фильтрационных опытов инструментальное карти- рование деталей геологи- ческого строения разреза, разломов, трещин, карста, оползней, подземных вод с применением всех видов разведочных работ; на- турное и эксперименталь- ное изучение напряжений и геомеханических свойств пород и массивов; расче- ты устойчивости; режим- ные наблюдения, прогноз опасных явлений и обос- нование строительства
Рабочая документация и строительство разведочные, опытные, геофизические и другие ра- боты для уточнения конструкций туннелей на слож- ных участках и порталах, упрочнения вмещающих пород, обоснования водоотлива и снижения гидро- статического давления; наблюдения за деформа- цией пород, напряжениями и водопритоками; инже- нерно-геологическая документация основных и вспо- могательных выработок; проверка прогнозов и обос- нование дополнительных мероприятий
275
плексами пород, закономерной литологической изменчивостью и
трещиноватостью, простыми тектоническими структурами, с четко
выраженными водоносными горизонтами, без опасных прорывов
вод и больших водопритоков надо отнести к сложным. Рекомен-
дации по детальности инженерно-геологических изысканий на
разных стадиях и основные требования к ним представлены в
табл. 6.3.
Ответственность за инженерно-геологическое обоснование воз-
ведения подземных сооружений требует творческого подхода на
каждой стадии, соблюдения основных методических положений,
исключения стандартных решений, не учитывающих особенностей
геологической среды. Научный уровень исследований предпола-
гает, что они будут выполнены с минимальными объемами работ.
Поэтому инженер-геолог должен на каждой стадии сформулиро-
вать «рабочую геологическую гипотезу» и определить рациональ-
ные виды, объемы и последовательность их проведения; это слож-
но, так как надо представить строение, состояние массивов и под-
земные воды в них по косвенным геологическим признакам. Уточ-
нение инженерно-геологических условий размещения подземных
сооружений требует трудновыполнимых горно-буровых, опытных
и других работ значительной стоимости. Рациональную «геологи-
ческую гипотезу» необходимо уточнять от стадии к стадии.
§ 3. ИССЛЕДОВАНИЯ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ
Схема (предпроектная стадия). Вопросы и содержание инженер-
но-геологических изысканий на стадии Схемы при проработке
комплексных задач для туннельного и подземного промышленно-
го строительства, намечаемого в большом регионе, будут неоди-
наковыми в различных его частях. Вопросы о расположении круп-
ных подземных промобъектов первоначально должны рассматри-
ваться в проектах районных планировок градостроительства. Ин-
женерно-геологическое обоснование проектных предположений о
размещении подземных сооружений, туннелей разного назначения
и других сооружений должно охватывать территорию, достаточ-
ную для проработок по нескольким вариантам в сочетании с об-
щими проблемами дорожного, гидротехнического и промышлен-
ного строительства.
Преобладающим методом исследований на стадии Схемы яв-
ляются специальные инженерно-геологические съемки деталь-
ностью, указанной в табл. 6.3, обобщающие опыт строительства и
эксплуатации подземных сооружений и сопровождаемые электро-
и сейсморазведочными работами. Разведочное бурение на этой
стадии проводится в предельно ограниченном объеме для более
надежной интерпретации геофизических данных и для установле-
ния, например, погребенных долин, строения зон разломов, их ве-
роятной активности и обводненности, наличия сильной закарсто-
ванности и высоконапорных вод. На этой стадии необходимо
276
обосновать гипотезы о важнейших компонентах геологической
среды, во избежание случаев строительства подземных объектов
в исключительно трудных условиях или когда нет уверенности в
надежности эксплуатации сооружений. В этих случаях на стадии
Схемы необходимо начать поиски альтернативных решений с со-
ответствующим инженерно-геологическим обоснованием, кото-
рые должны завершиться на следующей стадии ТЭО. Характери-
стика вероятных естественных напряжений и современных^ подви-
жек по зонам тектонических нарушений увязывается с сейсмиче-
скими проявлениями, используя косвенные геологические призна-
ки, имеющиеся данные по районам с аналогичными геологиче-
ским строением и историей развития.
Технико-экономическое обоснование. На стадии ТЭО важна
целенаправленность изысканий для обоснования выбора места,
принципиального решения типов, параметров и способов строи-
тельства подземных сооружений при обязательности вариантных
проработок. Нередко, в прошлом, на стадии ТЭО из-за ограниче-
ний в сроках или ассигнованиях, недостатков в программах изы-
сканий инженерно-геологические условия оценивались без требуе-
мой детальности, что неизбежно приводило к ошибочным проект-
ным решениям, к удорожанию стоимости строительства и иным
осла ж.ке киям. Поэтому обязательны, своевременно сформулиро-
ванные геологическая, гидрогеологическая, геомеханическая и
другие концепции, которые определяют направления изысканий.
На стадии ТЭО основными являются вопросы изучения:
а) строения и залегания массивов пород, тектонических струк-
тур и трещиноватости, современной подвижности по разломам,
закарстованности, строения и распространения зон выветривания
и других особенностей геологической среды;
б) подземных вод, их распространения, напоров, режима, аг-
рессивности, эффективности дренирования и т. п.;
в) геомеханических свойств типов пород и массивов, их напря-
женно-деформированного состояния, его режима и факторов, его
обусловливающих;
г) фоновой сейсмичности района и детальная характеристика
участков порталов туннелей и размещения других наземных объ-
ектов;
д) экзогенных геологических процессов и их взаимообуслов-
ленности со строением и состоянием массивов пород и глубинны-
ми процессами; результаты изучения следует использовать как
возможные аналоги для прогнозов изменения геологической сре-
ды при создании подземных сооружений.
Непосредственными задачами инженерно-геологических изыс-
каний и исследований, натурных, лабораторно-эксперименталь-
ных, аналитических и других, им сопутствующих, являются: при-
ближенно-количественный прогноз процессов, оценка степени
опасности и значения их для строительства конкретных подзем-
ных сооружений; характеристика изменений геологической среды
и возникновения горных ударов и давления, выпора, вывалов,
277
прорывов подземных вод, плывунов, газов и др.; обоснование для
разработки методов управления процессами, а также выдача ре-
комендаций по проходке, креплению, водоотливу и предотвраще-
нию катастрофических последствий. Если на стадии Схемы пере-
численные вопросы и задачи характеризовались в общем виде,
на региональной основе по геологическим признакам, то на ста-
дии ТЭО для их решения необходимы на участках вероятного
расположения подземных сооружений целенаправленные деталь-
ные геологосъемочные и геофизические работы, разведочное буре-
ние и горные выработки, фильтрационные и геомеханические опы-
ты, организация наблюдений за режимом подземных вод и геоло-
гическими процессами; существенно изменяются как виды и объ-
емы изыскательских работ, так и методика их выполнения.
Детальность характеристики геологической среды и прогноза
процессов также зависит от типа сооружений. Например, оценка
деформируемости массивов пород должна быть различной при
размещении в них зданий АЭС, ГЭС, туннелей или метро, так как
каждое сооружение имеет допустимые пределы величин и нерав-
номерности осадок. Рекомендуемая детальность инженерно-геоло-
гических изысканий на стадии ТЭО (см. табл. 6.3) предполагает,
что основные вопросы, в том числе прогноз изменения геологиче-
ской среды, рекомендации по обоснованию мероприятий для обес-
печения надежности сооружений, должны получить приближенно-
количественные характеристики и оценки.
Основные особенности геологической среды районов возмож-
ного размещения объектов выявляются инженерно-геологически-
ми съемками в масштабах 1:25000—1:10000—1:5000 в зависи-
мости от сложности условий и вида сооружения; картирование
выполняется с обязательным применением фотограмметрических
методов, с использованием космо-, аэро- и фототеодолитных сним-
ков. Детальность картирования требует подтверждения пред-
ставлений о геологическом строении и подземных водах разведоч-
ными данными — сейсмо- и электроразведкой, бурением и горны-
ми выработками. Эффективность съемочных и разведочных работ
на участках и трассах возможного размещения подземных соору-
жений определяется правильным выбором методов разведки, их
сочетанием и последовательностью выполнения.
Для более достоверной интерпретации сейсмо- и электроразве-
дочных данных нужны эталонные инженерно-геологические раз-
резы по скважинам, шурфам, обнажениям на типичных по строе-
нию участках. Основное внимание при картировании и разведке
необходимо обратить на расчленение и залегание комплексов и
литологических пачек пород, особенно коры выветривания и зон
повышенной трещиноватости, на характер и степень их обводнен-
ности, на наличие, ориентировку и характеристику разломов и по-
гребенных долин. В ряде случаев целесообразна проходка на-
клонных буровых скважин, штолен и глубоких шурфов для выяв-
ления и характеристики субвертикальных разломов, зон трещи-
новатости и подземных вод. Характеристика фильтрационных
278
свойств массива (толщи), а также трещиноватости дается по ин-
тервальному опробованию откачками и нагнетаниями в опорных
скважинах, из которых определяется химизм подземных вод,
обосновывающий гидрогеологическую стратификацию.
Крупномасштабное изучение в натурных условиях деформи-
руемости, прочности и напряжений на стадии ТЭО, как правило,
не проводится ввиду сложности экспериментов; обычно ограничи-
ваются данными по аналогам, ориентировочными расчетами по
методу конечных элементов или другим методам и нормативными
рекомендациями. Однако возможны случаи, когда данные о раз-
рушенности, величинах и распределении напряжений и деформи-
руемости пород, о водопритоках и иных особенностях массива на
большой глубине будут такими, что определяют техническую и
экономическую нецелесообразность создания подземного соору-
жения. В таких случаях для однозначного решения вопросов о
выборе массива, места размещения в нем подземного объекта и
способах строительства необходимы более достоверные данные,
которые можно получить при проведении натурных опытов; они
должны проводиться в минимальных объемах по специально раз-
работанной программе.
Трассы метро на стадии ТЭО, выбор которых в значительной
мере обусловлен планировочными решениями города, целесооб-
разно изучать бурением, методами геофизической разведки и
опытными работами, учитывая, что обоснованно должны быть ре-
шены вопросы об открытой или подземной проходке на всей ли-
нии, о взаимовлиянии строительства и существующих зданий, о
наличии погребенных долин и карста. Известны случаи, когда не-
достаточная и несвоевременная изученность инженерно-геологи-
ческих условий трассы, а также нарушения производства работ
приводили к серьезным последствиям (в Москве, Ленинграде
и др.), ликвидация которых потребовала значительных затрат.
На стадии ТЭО вопросы о выборе Направления, глубины про-
ложения и другие мероприятия для транспортных (авто- и желез-
нодорожных) туннелей рассматриваются с позиций: 1) сопостав-
ления инженерно-геологических условий трасс наземного и под-
земного размещения сооружений по нескольким вариантам, от ко-
торых зависят сложности и затраты на строительство и эксплуа-
тацию дорог; 2) неизбежности строительства туннеля из-за рель-
ефа, безопасности эксплуатации, вследствие которой инженерно-
геологические изыскания должны обосновать выбор наилучшей
трассы и глубины проложения туннеля. Нередко авто- и желез-
ные дороги переносились в туннели из-за негативного их влияния
на город, ограниченности территории, например в районах Сочи,
Гагры, Нового Афона и Сухуми, или из-за интенсивных оползне-
вых, обвальных, абразионных и селевых явлений (Байкальские, в
Средней Азии, на Кавказе).
На стадии ТЭО инженерно-геологическая оценка трассы и
прогноз процессов, которые возникнут при строительстве и экс-
плуатации, должны быть даны с детальностью масштаба карт и
279
более подробно на участках порталов, где возможны оползни, в
зонах крупных разломов и сильной закарстованности, где обыч-
ны вывалы, горные удары, прорывы вод, плывунов и т. д. На этих
повышенно-опасных участках целесообразно усиление геофизиче-
ских исследований, проходка глубоких, чаще наклонных, скважин
и горных выработок, так как они могут обнаружить разломы и
высоконапорные воды (как было на туннелях БАМа), что может
заставить проработать другие варианты трасс и существенно от-
разиться на способах проходки, крепления и стоимости строи-
тельства.
Изучение условий проложения туннелей на больших глубинах
под высокогорными хребтами, как Монблан (см. рис. 6.4), огра-
ничивает применение разведочных работ только портальными
участками; бурение и другие методы разведки трасс таких тунне-
лей, как под проливами (Япония и т. д.), в опорных сечениях
представляются целесообразными.
Изучение массивов пород в целях выбора наилучшего по ин-
женерно-геологическим условиям расположения камер для пром-
объектов (ГЭС, АЭС, заводы и др.) на стадии ТЭО имеет специ-
фику. Для выявления простирания и строения крупных трещин и
зон разломов в массивах терригенных пород долины р. Вахша на
участке Рогунской ГЭС на правом и левом берегах были пройде-
ны многочисленные разведочные штольни, одна из которых имеет
длину свыше 1 км. Из-за рельефа и крутого залегания пород раз-
ведка бурением весьма затруднена и малоэффективна, а сочета-
ние данных геологического наземного картирования и документа-
ции по штольням позволило создать пространственное представ-
ление о тектоническом строении массива и обосновать выбор
створа плотины и связанных с ней туннелей и камеры для под-
земной ГЭС (см. рис. 6.8).
Наличие штольни существенно увеличило эффективность сей-
смо- и электроразведочных работ для изучения строения масси-
вов и определения показателей деформируемости и напряженного
состояния пород. Для условий Рогунской ГЭС на стадии ТЭО не-
обходимо располагать ориентировочными данными об естествен-
но-напряженном состоянии массива пород и их основных механи-
ческих свойствах.
Более высокие требования к инженерно-геологическому обос-
нованию выбора местоположения, прогнозу деформации и водо-
притоков на основе изучения геомеханических свойств, напряже-
ний и гидрогеологической обстановки следует предъявлять при
проектировании подземных АЭС на стадии ТЭО, имея в виду не-
допустимость крена сооружений и других нарушений. При проек-
тировании подземных АЭС и иных подобных объектов должен
быть применен весь арсенал методов инженерно-геологических
изысканий, без сокращения объемов, несмотря на трудности их
выполнения; программу и результаты исследований необходимо
подвергать детальному обсуждению.
Основные результаты инженерно-геологических исследований
280
представляются в виде карт и разрезов, различных графиков,
схем и текста отчета. О содержании варианта инженерно-геоло-
гической карты масштаба 1:5000—1:25 000, составленной по
опубликованной методике (Золотарев и др., 1973), можно судить
по примеру, изложенному в главе III. Инженерно-геологическую
оценку условий, районирование массивов пород для подземного
строительства и прогноз негативных процессов целесообразно
представлять на трех уровнях: районы, подрайоны и участки с
подразделением каждых на три порядка по нескольким, последо-
вательно накладываемым признакам. Прогноз горного давления
и ударов, выпора и других процессов на этой стадии дается каче-
ственно. На разрезах и в таблицах приводятся ориентировочные
величины напряжений, характеристики трещиноватости и геоме-
ханических свойств пород, используя классификацию 3. Т. Бие-
ниавского (табл. 6.2).
Проект и рабочая документация. Материалы обстоятельных
инженерно-геологических изысканий на стадии ТЭО должны поз-
волить проектантам обоснованно и однозначно выбирать места и
типы подземных сооружений, способы строительства и устанавли-
вать ориентировочную его стоимость. В этих случаях задачи даль-
нейших исследований должны быть направлены на детальную ха-
рактеристику инженерно-геологических и гидрогеологических ус-
ловий конкретных мест размещения сооружений, на составление
уточненных прогнозов и расчетов деформаций массива, водопри-
токов и других явлений при строительстве и эксплуатации объек-
та, на обоснование мероприятий по предотвращению опасных про-
цессов и на совершенствование методов строительства. Основные
задачи на стадии Проекта и рабочей документации сохраняются,
но детальность их разработки существенно выше; соответственно
изменяются виды, объемы и методы инженерно-геологических ра-
бот. В целом значительно возрастают объемы разведочных гор-
ных выработок и бурения, а также специальных натурных геоме-
ханических и фильтрационных опытов по определению естествен-
ных напряжений, модуля деформации, прочности, упругого отпо-
ра, водо- и газопритоков, водопонижения и связанной с ним суф-
фозии, а также горно-геологических явлений, обусловленных раз-
грузкой напряжений и выветривания и др.
Особое внимание необходимо уделить вопросам обоснования
производства строительных работ. В специальных выработках
продолжаются и расширяются наблюдения за смещениями бло-
ков и частей массива пород по крупным трещинам и разломам, за
изменением напряженного состояния и температуры, за водо- и
газопроявлениями. Часть разведочных выработок доводится до
глубины расположения подземных сооружений с целью охаракте-
ризовать состояние и свойства пород, непосредственно их вме-
щающих. Другая часть выработок, обычно меньшей глубины, за-
дается с учетом литолого-фациальной и структурногтрещинной
изменчивости массива для обоснования интерпретации результа-
тов опытных геомеханических и фильтрационных работ.
281
В тех случаях, которые являются исключением, когда по раз-
ным причинам не имеется возможности выполнить на стадии ТЭО
изыскания в полном объеме, а также при существенных измене-
ниях исходных заданий проектирования, возникших в процессе
составления ТЭО, инженерно-геологические изыскания на стадии
Проекта осуществляются в два этапа: на первом проводятся ра-
боты для обоснования уточненного варианта ТЭО, а иа втором,
основном, — полный комплекс исследований для проекта подзем-
ного объекта.
Инженерно-геологическая съемка в масштабах 1:5000—1:
: 1000 предназначена для детального литологического расчлене-
ния типичных разрезов, выделения контактов ослабления и закар-
стованности, количественной характеристики трещин разного ге-
незиса и типов. Материалы съемки совместно с даннымш_бурения
и опробованием скважин и горных выработок геофизическими,
фильтрационными и фотограмметрическим методами являются ос-
новой для пространственного районирования и оценки массивов
пород и для учета региональных факторов. Особое внимание уде-
ляется инженерно-геологической характеристике разломов и при-
разломных зон, их типизации, как среде, в которой образуются
наиболее интенсивные вывалы, горное давление, водопритоки
и т. п.
Буровые и горные выработки в сочетании с геофизической раз-
ведкой являются ведущими методами детального изучения геоло-
гического строения участка или трассы; в них проводятся специ-
альные опытные геомеханические и фильтрационные исследова-
ния. Глубина (обычно до 300—500 м) и количество выработок
определяются положением и размерами проектируемого сооруже-
ния в массиве, сложностью его строения, обводненностью и на-
пряженно-деформированным состоянием. Сохраняются, как и в
ТЭО, принципы заложения, глубины, опробование разведочных
выработок и геофизические точки; увеличивается их количество.
В скважинах определяются температура и газоопасность пород
на разных глубинах.
Изучение геомеханических характеристик пород массива — де-
формируемости, прочности, напряжений, упругого отпора, горно-
го давления и др. — осуществляется преимущественно в натурных
условиях разными методами: нагружения, разгрузки и компенса-
ции плоскими и цилиндрическими штампами, гидроразрыва (hyd-
raflical fracturing) , прессиометрами, сдвигами целиков породы по
контактам ослабления и др. По данным одиночных и кустовых
опытных откачек оцениваются возможные водопритоки, суффо-
зионная устойчивость и условия водопонижения. По данным гео-
механических и фильтрационных свойств пород и массива расче-
тами и экспериментами определяются, согласно СНиПу 2.06.09-84
(1985) и СНиПу 11/44-78 (1978), с учетом опыта строительства в
аналогичных условиях, типы крепления, способы проходки и дру-
гие горнотехнические факторы.
Лабораторное изучение геомеханических характеристик осуще-
282
ствляется на образцах пород, взятых из типичных разрезов по
скважинам и обнажениям, и данные их позволяют более обосно-
ванно распространять результаты опытов в отдельных сечениях
иа массивы. Натурные геомеханические эксперименты необходи-
мо органически сочетать с сейсмоакустическими и другими геофи-
зическими методами изучения деформируемости и напряженного
состояния пород, существенно зависящих от степени их трещино-
ватости, что выполняется по детально разработанной комплекс-
ной программе изысканий.
Наряду с натурными опытами по изучению напряжений и по-
казателей свойств пород, необходимых для прогноза возможных
деформаций в подземной выработке, на стадии Проекта должны
проводиться экспериментальные исследования на моделях из эк-
вивалентных и оптически активных материалов по различным ме-
тодикам. Геологический анализ строения и прогноз возможных
деформаций массива пород при строительстве и эксплуатации под-
земных сооружений, сочетающийся с экспериментами на моделях,
как правило, дополняются расчетами напряжений методом конеч-
ных элементов и др. Сопоставление и анализ результатов, полу-,
ченных разными методами, дадут наиболее достоверные данные
по прогнозу характера, параметров и интенсивности негативных
явлений и помогут выработать и своевременно осуществить
мероприятия по управлению ими и защите от опасных послед-
ствий.
Выбор методов изучения в натурных и лабораторных усло-
виях, использование аналогов в существенной мере определяются
особенностями геологической среды, включая подземные воды и
сейсмичность, параметрами и назначением подземных сооруже-
ствий.
Подземные воды являются важнейшим компонентом геологи-
ческой среды; прогноз их прорыва, водопритоки, гидростатиче-
ское давление, условия и система водопонижения, химизм, режим,
температура и другие характеристики детально изучаются на ста-
дии Проекта с помощью бурения, опытно-фильтрационных работ,
режимных наблюдений, геофизических и других методов. Недо-
статочная изученность гидрогеологических условий нередко при-
водит к опасным последствиям, приостанавливается строитель-
ство, удорожается за счет осуществления ранее непредусмотрен-
ных мероприятий. Подобные случаи имели место при строитель-
стве туннелей Арпа-Севан, Северо-Муйского, Банска-Штавница,
Ялтинского и многих других (рис. 6.4; 6.5; 6.6).
При заложении скважин значительных глубин на участках
проектируемых подземных сооружений следует стремиться полу-
чить максимум информации как о литологическом строении и
структурах массива, разломах и зонах трещин, так и о приуро-
ченности к ним и водовмещающим пачкам пород подземных вод.
Очень важно выявить степень гидравлической связи между раз-
личными водосодержащими пачками, зонами нарушений и други-
ми элементами массива, составить гидрогеологическую стратифи-
283
кацию и схему движения вод в массиве. Поинтервальные измере-
ния пьезометрических уровней, откачки, нагнетания и гидрохими-
ческое опробование с помощью двойных тампонов, а также спе-
циализированный каротаж являются обязательными и эффектив-
ными методами гидрогеологической документации разведочных
скважин. В некоторых случаях целесообразна проходка скважин
разного назначения — одних для инженерно-геологического и
других для гидрогеологического изучения массива, в том числе
для изучения режима подземных вод.
Приступая к разведочному бурению на трассе и участках раз-
мещения подземных сооружений, необходимо иметь четкое зада-
ние о том, что надо получить от каждой глубокой скважины, где
и какие виды исследований проводятся, как организуются режим-
ные наблюдения, измерения напряжений, температуры и др. По-
стоянно следует руководствоваться главными принципами — мак-
симум достоверной, но достаточной для обоснования поставлен-
ной задачи информации при минимуме разведочных, опытных и
других исследований, имея в виду высокую стоимость глубокого
бурения и опытных работ. Все виды разведочных и опытных ра-
бот необходимо органически сочетать с геофизическими метода-
ми исследований — это обязательное требование.
На. стадам мзыск&нмк. дая. Проекта дасвм датся. режимные ин-
струментальные наблюдения за подземными водами (уровни, хи-
мизм, водопроявления), сейсмичностью, тектоническими подвиж-
ками по разломам и изменением напряжений (если они типичны
для района) и за экзогенными процессами, данные о которых не-
обходимы для проектирования и защиты наземных частей и
строительного производства подземного комплекса. Виды и объ-
екты этих наблюдений выбираются по материалам инженерно-
геологических изысканий стадии ТЭО и расширяются на стадии
Проекта. Результаты режимных наблюдений необходимы для ко-
личественной оценки и прогноза современных геологических про-
цессов, для составления геодинамической модели массивов пород,
в которых размещаются подземные сооружения, для обоснования
конструктивных решений и защитных мероприятий. Конкретная
методика выполнения режимных наблюдений зависит от задач и
объекта изучения и от особенностей геологической среды; общие
требования изложены в § 4 главы III.
Инженерно-геологические исследования на стадии рабочая
документация, в которую целесообразно включить инженерно-гео-
логическую службу в период строительства подземных сооруже-
ний, имеют следующие основные задачи по уточнению:
а) геологического строения (породы, структуры, трещиновато-
сти и т. п.) по оси туннелей, на участках камер и других объек-
тов; а также гидрогеологических характеристик;
б) правильности инженерно-геологических оценок, сделанных
при изысканиях на стадии Проекта, и проведение дополнительных
работ;
в) прогнозов мест и вероятных величин горного давления и
284
ударов, вывалов, водо- и газопритоков и других негативных явле-
ний;
г) процессов разуплотнения и изменения геомеханических
свойств массива пород, окружающих подземные сооружения,
вследствие изменения напряжений и водопонижения;
д) обоснования дополнительного проектирования и работ по
строительству подземных выработок на участках с разными гид-
рогеологическими и инженерно-геологическими условиями, в том
числе рекомендаций по выбору типов крепления, интервалов про-
ходки без него, по системе водопонижений и др.
Рабочее проектирование и инженерно-геологическая служба в
период строительства имеют особое значение для подземных со-
оружений, так как не всегда на предшествующих стадиях изыска-
ний представляется возможность изучить все особенности геоло-
гической и гидрогеологической обстановки. При проходке тунне-
лей и камер необходима тщательная геологическая документация
вскрытого массива пород, а также геофизические и геомеханиче-
ские исследования для окончательных выводов и проектно-строи-
тельных решений и контроля за их выполнением. На этой стадии
основное внимание уделяется сложным участкам туннелей и дру-
гих подземных выработок: бурятся из них опережающие скважи-
ны, в специальных камерах проводятся опыты с блоковыми и ци-
линдрическими штампами, прессиометрами разных конструкций
по определению горного давления, модуля деформации, сопро-
тивления сдвигу и естественных напряжений в корреляции с по-
казателями трещиноватости и сейсмоакустическими характери-
стиками (ир, vs).
Опережающие скважины, обычно веерообразно располагае-
мые, позволяют судить о местах встречи и напорах подземных
вод, возможных прорывах плывунов и о рациональной системе
дренирования. Гидравлическое опробование в этих скважинах
даст возможность выявить эффективность в одних случаях укре-
пительной инъекции в целях повышения прочности вмещающего
массива, а в других — искусственного трещинообразования для
снятия высоких напряжений вокруг подземных выработок.
Инженерно-геологические исследования в период строитель-
ства и выдачи рабочей документации отличаются оперативностью
проведения, обязательностью совместных решений с проектантом
и строителем и ответственностью за них. По содержанию они
весьма разнообразны — от инструментального подземного карти-
рования сложных разрезов (см. рис. 6.6; 6.2) до крупномасштаб-
ных геомеханических и фильтрационных опытов, а также провер-
ки новых рекомендаций на моделях и расчетными методами. В за-
дачу инженера-геолога на строительстве входит участие в прием-
ке подготовленности подземной выработки для бетонирования,
заделки сводов обрушения, установки постоянной крепи, опреде-
ления эффективности инъекционных работ, опасности подвижек
по разрывным нарушениям и т. п. Для изучения последнего во-
проса организуются точные геодезические промеры с установкой
285»
в опытных камерах деформографов, гидронивелиров, наклономе-
ров и различных датчиков, фиксирующих изменения напряжений
и разуплотнение (трещинообразование) массива. От научного
уровня и ответственности инженерно-геологической службы на за-
вершающем этапе исследований в значительной мере будет зави-
сеть надежность эксплуатации сооружения. Главные принципы
инженерно-геологических изысканий — их целенаправленность,
достоверность информации (качество), минимально-разумные
•объемы работ, в определенных случаях допустимость оправдан-
ного инженерного риска при совместно принимаемых решениях —
должны быть ведущими при их выполнении.
Глава VII
ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИЗЫСКАНИЯ
ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
Строительство и эксплуатация транспортных сооружений, обшир-
ная сфера хозяйственной деятельности человека, разнообразно-
взаимодействующая с геологической средой, нередко вызывает
негативные явления. Для обеспечения рациональных проектных
решений, надежности различных транспортных сооружений и эф-
фективной их защиты от опасных геологических и других процес-
сов необходимы продуманные целенаправленные инженерно-гео-
логические изыскания в сочетании с другими видами исследова-
ний— гидрологическими, климатическими, геокриологическими,
Сейсмологическими и топографическими.
По задачам и методикам выполнения инженерно-геологиче-
ских изысканий транспортные сооружения возможно объединить
в следующие группы, различно взаимодействующие с геологиче-
ской средой:
— земляное полотно авто- и железных дорог, включая малые
искусственные сооружения — насыпи и выемки с h до 5—6 м,
трубы, а также земляное полотно аэродромов;
— дорожные высокие насыпи и глубокие выемки (до 30—40 м
и более), особенно создаваемые в малопрочных, сильнодеформи-
руемых и водонасыщенных породах, индивидуально проектируе-
мые;
— трубопроводы разного назначения для транспорта газа,
нефти и воды, создаваемые в разных природных зонах;
— мостовые переходы на авто- и железных дорогах и в горо-
дах, путепроводы, акведуки и дюкеры, пересекающие реки, водо-
хранилища, заливы и другие преграды;
— промобъекты транспортного назначения — станционные уз-
лй, заводы, депо, станции перекачки, жилые поселки и т. д.;
— линии электропередач с трансформаторными подстанциями.
Особыми случаями являются возведение и изыскания для раз-
личных транспортных объектов в сложных инженерно-геологиче-
ских и геокриологических условиях — в районах интенсивного раз-
вития абразии, эрозии, оползней, селей, карста, сейсмичности,
мерзлотных, просадочных и других опасных процессов. В этих
случаях задачи и содержание изысканий в значительной мере
определяются видом и интенсивностью геологического процесса и
характером транспортного объекта.
28Т
В задачи комплексных изысканий для обоснования транс-
портного строительства на всех стадиях входят поиски и развед-
ка месторождений естественных строительных материалов, а в
ряде случаев — поиски подземных вод или выявление иных источ-
ников водоснабжения.
Инженерно-геологические изыскания для обоснования проек-
тирования и строительства транспортных объектов выполняются
многими проектно-изыскательскими организациями, принадлежа-
щими разным ведомствам, которыми издаются методические посо-
бия и инструкции. Общегосударственными нормативными доку-
ментами на проектирование транспортных сооружений являются
СНиПы, разработанные применительно к разным их типам (до-
роги, мосты, трубопроводы и т. д.) и стадиям проектирования.
§ 1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
НОВЫХ И РЕКОНСТРУКЦИИ
СУЩЕСТВУЮЩИХ АВТОМОБИЛЬНЫХ
И ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Огромные пространства страны с разнообразными геологически-
ми, климатическими, ландшафтными и другими условиями, не-
равномерность размещения промышленности, городов и природ-
ных ресурсов определяют большое народнохозяйственное значе-
ние наземного и воздушного транспорта. Современные требова-
ния к надежности земляного полотна и сооружений дорог и аэро-
дромов, к обеспечению непрерывности и безопасности движения
при существенно увеличенных скоростях движения (до 200—
300 км/ч на железных дорогах и до 120—150 км/ч на автодорогах)
и возросшей массы железнодорожных составов (до 6—8 тыс. т и
более), грузовых автомашин (от 10—25 до 125 т) и грузовых са-
молетов. К инженерно-геологическому обоснованию проектирова-
ния и эксплуатации железных дорог предъявляются более высо-
кие требования; они энергичнее воздействуют на геологическую
среду из-за большой протяженности и различных сооружений,
чувствительны к ее изменениям и к возникающим инженерно-гео-
логическим процессам. При авариях на железных дорогах ката-
строфические последствия, материальный ущерб и трудности их
восстановления обычно значительно больше, чем на автодорогах.
В СССР эксплуатируется более 150 000 км железных дорог и
в планах ускоренного развития народного хозяйства на двенадца-
тую и последующие пятилетки новому транспортному строитель-
ству и реконструкции уделяется большое внимание. В основном
завершено строительство одного пути БАМа общей протяжен-
ностью 3145 км с тысячами искусственных сооружений, 125 круп-
ными мостами, 15 туннелями, проложенными в очень сложных ин-
женерно-геологических и сейсмических условиях (Северо-Муй-
ский, Кодорский, Байкальские и др.). Ведется строительство но-
вой железнодорожной линии от БАМа на Якутск.
288
В двенадцатой пятилетке намечено построить 4000 км вторых
железнодорожных путей и 167 000 км автодорог с твердым покры-
тием, в том числе 7500 км общесоюзного назначения. Ведется ре-
конструкция существующих и строительство новых аэродромов
для приемки тяжелых самолетов, d также аэровокзалов. Широ-
кое развитие получает транспорт газа, нефти и воды по трубопро-
водам на многие тысячи километров, создаваемым в разнообраз-
ных и сложных условиях.
Проектирование и строительство дорог в горных областях,
обычно сейсмически активных, требуют целенаправленных, раз-
нообразных и детальных инженерно-геологических изысканий, с
большим количеством искусственных сооружений, неустойчивыми
склонами и карстом. Например, недавно построенная железная
дорога Белград—Бар в Югославии длиной около 500 км имеет
254 туннеля (общая длина 114,5 км), 206 железобетонных,
28 стальных мостов.
Обеспечение непрерывности и безопасности движения на авто-
и железных дорогах из-за проявления негативных геологических
процессов требует постоянных наблюдений за состоянием земля-
ного полотна и прилегающей территории, оперативной оценки и
осуществления дополнительных защитных мероприятий, т. е. ор-
ганизации специальной службы. Например, на новой автомаги-
страли ТКАМ, проходящей по долине р. Ардона, соединяющей
г. Владикавказ с западной Грузией через Рокский перевал, где
построен туннель, выявлены многочисленные участки с селевыми
выносами, оползнями, снежными лавинами и интенсивными эро-
зионными размывами, где необходима дополнительная инженер-
ная защита, для обоснования которой требуются инженерно-гео-
логические, гидрологические и другие изыскания для определения
степени опасности названных геологических процессов.
Различаются инженерно-геологические изыскания для обосно-
вания: а) проектирования и строительства новых авто- и желез-
нодорожных трасс; б) проектов реконструкции существующих
дорог в связи с новыми требованиями усложнившейся эксплуата-
ции; в) инженерных мероприятий по устойчивости земляного по-
лотна и сооружений эксплуатируемых дорог для безусловного
обеспечения безопасности движения на них и предельного сокра-
щения перерывов из-за проявления опасных геологических про-
цессов. Первые два вида изысканий выполняются специализиро-
ванными проектно-изыскательскими институтами Минтрансстроя,
а на эксплуатируемых дорогах преимущественно подразделения-
ми службы пути и ведомственными организациями.
Инженерно-геологические изыскания для проектирования но-
вых и реконструкции существующих дорог ведутся по стадиям
для ТЭО, Проекта и рабочей документации. Общее направление
авто- и железных дорог, связывающих крупные города, промыш-
ленные комплексы и другие объекты, определяется схемами на-
роднохозяйственного развития нескольких краев, областей и рес-
публик, и для них специальных изысканий не проводится; состав-
289
ляется обзор с характеристикой региональных инженерно-геоло-
гических условий. Комплексные топографические, гидрологиче-
ские и инженерно-геологические изыскания выполняются на ста-
дии ТЭО и Проекта для обоснования выбора трасс дорожных ма-
гистралей, участков переходов через водные преграды и долины,
пересечений возвышенностей, водоразделов и крупных склонов;
выявляется необходимость обходов населенных пунктов и иных
объектов.
Земляное полотно авто- и железных дорог с твердым покры-
тием, включая малые насыпи и выемки, при эксплуатации пре-
терпевает различные массовые деформации в зависимости от осо-
бенностей грунтовых, гидрогеологических и климатических усло-
вий. К их числу относятся:
— разжижение грунтов земляного полотна при оттаивании
или затяжных дождях и, как следствие, разрушение покрытий,
образование выплесков, просадок верхнего строения и балласт-
ных корыт;
— пучины в глинистых грунтах на «нулевых» участках пути и
в выемках в районах холодного климата;
— оплывины и сплывы на откосах выемок и насыпей, особен-
но, если они подтопленны грунтовыми водами;
— осыпи и камнепады с обнаженных нагорных крутых отко-
сов и склонов, интенсивные, если они сложены легковыветриваю-
щимися породами.
Масштаб и опасность отдельного явления незначительны, но в
связи с их многочисленностью возможны осложнения при экс-
Рис. 7.1. Различное расположение дорожных насыпей:
А — полотно дороги проложено в полунасыпи-полувыемке; 1 — профиль скло-
на до создания дороги; 2 — насыпь; 3 — выемка; 4 — основная площадка зем-
ляного полотна; 5 — кювет с подкюветиым дренажем; 6 — нагорная водоот-
водная канава; 7 — уровень грунтовых вод, сдренированный; породы склона:
8 — четвертичные пески и супеси; 9 — различные глинистые, мергелистые я
другие породы; 10 — водоносные песчаные или иные образования. Высокие до-
290
плуатации дорог в виде ограничения скоростей движения, ремонт-
ных работ и т. п. Поэтому в задачи инженерно-геологических
изысканий входят попикетные описания трассы проектируемой
или реконструируемой дороги с характеристикой негативных гео-
логических процессов по натурным признакам и опыту эксплуа-
тации, установление причин, а также прогноз их развития и ре-
комендация мер борьбы. Характеристика массовых деформаций
земляного полотна при попикетных описаниях различна на ста-
дии ТЭО и Проекта и входит в комплекс работ по инженерно-
геологической съемке, масштаб и технические средства которой
определяются задачами изысканий.
Заложение откосов и другие параметры насыпей и выемок вы-
сотой 6 и 12 м определяются по нормативным таблицам CHhIJob
в зависимости от характера грунтов с учетом гидрологических и
Б
рожные насыпи: Б — на склоне, В — иа пойме или котловине; 11 — дорожное
покрытие; 12 — суглинистые, песчаные и обломочные грунты насыпи; 13 — под-
стилающие породы, различно выветрелые в кровле, периодами обводненные,
иногда потенциальная зона оползания; 14 — суглинки, пойменная фация; 15 —
торф; 16 — мелкие пески, обычно плывунные; 17 — глины старичные; 18 —
зона возможного выпора под массой насыпи; 19 — зона осадки насыпи и влия-
ния ее массы
291
климатических условий, а также способов производства работ.
Эти в общем правильные рекомендации целесообразно дополни-
тельно проанализировать, и возможны случаи, когда деформа-
ции откосов высотой 10—12 м могут вызвать критические ситуа-
ции; тогда нужны изыскания. Высокие насыпи и глубокие выем-
ки— индивидуальные объекты земляного полотна, и их проекти-
рование требует специальных исследований.
Изыскания иа участках высоких насыпей и оценка их устойчи-
вости. По размещению и назначению насыпи подразделяются на:
подходы к мостам; проложения, расположенные в пределах пони-
женного рельефа и на склонах для обеспечения заданного про-
дольного уклона; нередко полотно дорог является полунасыпью-
полувыемкой (рис. 7.1, Л). Инженерно-геологические условия
участков расположения высоких (30—40 м и более) насыпей и
оценка их устойчивости, как правило, различны и определяются
а) геолого-литологическим строением основания насыпей, неред
ко пролегающих на широких поймах и низких террасах, в речных
долинах, на равнинах или в древних озерных котловинах, сло-
женных мелкими плывунными песками, сильно сжимаемыми су-
глинками и глинами старичных фаций, с торфом, с разной глуби-
ной залегания, режимом грунтовых вод и заболоченностью
(рис. 7.1,В); иной характер деформаций основания насыпей от-
мечается в пределах безводных депрессий с наличием малопроч-
ных пылеватых суглинков, часто просадочных, развеваемых мел-
ких песков и т. п.; б) сложным расчлененным рельефом в горных
областях и в долинах с высокими склонами 100—200 м и более,
где насыпи чаще располагаются на обломочных песчано-галечни-
ковых малодеформируемых отложениях, но их откосы подверже-
ны воздействиям водных и селевых потоков; кроме того, условия
сопряжения насыпи со склонами являются сложными и необходи-
ма оценка их устойчивости; в) микросейсмическими условиями и
г) гидрологическими факторами — высотой и скоростями течения
воды в паводки, возможностью интенсивной эрозии.
Главными задачами изысканий для строительства насыпей на
поймах и в озерных котловинах являются изучение и оценка де-
формируемости грунтов оснований, обоснование расчетов во вре-
мени осадок сооружений, рекомендаций и мер по их уменьшению
(замена торфа, старичных глин, илов на более прочные грунты,
механическое и иное уплотнение и осушение и др.). Для решения
задач изысканий обычно применяются пенетрационно-каротаж-
ные методы, в меньших объемах бурение с отбором монолитов
для изучения свойств грунтов, электро- и сейсморазведка и спе-
циальное геологическое картирование (см. главу III).
Для насыпей высотой 20—40 м, располагаемых на склонах,
например на автодороге Перевал—Алушта—Ялта в Крыму и в
других районах, важно оценить: а) строение и оползневую устой-
чивость склона, особенно зоны вблизи его поверхности, где по-
роды обычно выветрелы и сезонно увлажнены, б) прочность грун-
тов насыпи и возможность смещения насыпи по поверхности скло-
292
на в условиях сейсмичности и увлажнения (см. рис. 7.1,Б). Во
всех случаях должны быть тщательно изучены вопросы оценки
устойчивости откосов насыпей любой высоты и расположения, с
учетом вибрационного воздействия от транспорта, образования бал-
ластных «корыт» и «мешков» в зоне недостаточного уплотнения
грунтов тела насыпей, обычно повышенно увлажненных, и общего
изменения во времени их состояния. Примеров разрушения насы-
пей из-за оползней на откосах много, в том числе с катастрофиче-
скими последствиями. Нередко причинами являются недостаточная
инженерно-геологическая изученность грунтов, деформируемости
оснований и устойчивости склонов, а также некачественно вы-
полненные строительные работы, малопрочные грунты, использо-
ванные для тела насыпей, отсутствие отводов поверхностных вод
и нарушения правил эксплуатации дорог.
Возведение высокой дорожной насыпи на потенциально-не-
устойчивом склоне, содержащем водоносный горизонт, без пред-
варительно выполненных дренажных устройств приводит к раз-
рушению сооружений. Например, на автодороге Алтамонт—Пас-
се в Калифорнии (США), как свидетельствуют Д. Гедни' и
У. Уинбер («Оползни...», 1981), в 1968 г. произошел оползень, за-
хвативший 300 м дороги и насыпь высотой 30 м. Восстановитель-
ные и укрепительные работы, схема которых показана на рис. 7.2,
включали: а) ряд вертикальных дренажных колодцев диаметром
1 м, с горизонтальными рассечками, соединяющими колодцы, с
установленными в них перфорированными трубами, обсыпанны-
ми фильтрующим материалом; б) горизонтальные дрены по пя-
ти главным сечениям для отвода вод из колодцев, снижения гид-
родинамического давления и осушения оползневого массива;
в) вертикальную планировку с устройством берм по границам и
в пределах оползневого участка. Восстановление насыпи произ-
водилось в условиях контроля нагружения, контроля за поровым
давлением и уровнем грунтовых вод.
Глубокие дорожные выемки (до 30—40 м) и полувыемки как
объекты индивидуального проектирования требуют инженерно-
Рис. 7.2. Схемы деформации насыпи вследствие оползня 1968 г. на автодороге
в Калифорнии н система дренажных мероприятий (из книги «Оползни...», под
ред Р. Шустера, 1(981):
1 — поверхность насыпн н склоны до оползня; 2 — то же, после оползня;
3 — уровень Грунтовых вод до устройства дренажа; 4 — вертикальные дренаж-
ные колодцы; 5 — горизонтальные дренажные скважниы; 6 — ложе оползня;
7 — разведочные скважниы
293
геологического обоснования. Для создания глубоких выемок в
разных комплексах пород, неодинаково обводненных, находящих-
ся в различном напряженном состоянии и геоморфологических
условиях, необходимы на стадиях ТЭО и Проекта специализиро-
ванные изыскания со специфическими задачами. Главными из них
являются определение оптимальной формы и крутизны устойчи-
вых откосов выемки, обоснование инженерных мер по их стаби-
лизации и предотвращению обвалов, оползней, размывов и дру-
гих негативных процессов в целях обеспечения безопасной и не-
прерывной эксплуатации дорог. Важными факторами для обеспе-
чения устойчивости откосов выемки, если она вскрывает водонос-
ные комплексы или породы, ин-
Рис 7 3 Деформации выпора дна н
низа откоса выемки в олигоценовых
глинах (1^=16—18%) на автодоро-
ге Гагра—Гудаута
тенсивно выветривающиеся и об-
рушающиеся, являются в первом
случае — осушительные меро-
приятия в виде вертикальных за-
вес, подкюветных и откосных
дренажей, горизонтальных и на-
клонных лучевых дренажных
скважин, а во втором — различ-
ных укрепительных сооружений,
покрытий, защитных щитов, се-
ток и др. (см. Золотарев «Ин-
женерная геодинамика», 1983,
с. 195—196; 228—235).
Наряду с различными ополз-
невыми нарушениями откосов вы-
емок и полувыемок в тех случа-
ях, когда вскрываемые породы
находятся в высоконапряженном
состоянии и обладает пластиче-
скими свойствами, вероятны де-
формации выпора дна и основа-
ния откосов, обусловленные сни-
жением прочности пород из-за
разуплотнения и последующего
выветривания. Подобное явление
наблюдалось в перевальной вы-
емке в районе Мюссер на авто-
дороге Гагра—Гудаута (Кавказское побережье). По проекту и гео-
механическим расчетам намечалась глубина выемки 26 м и откосы
с заложением 1 : 1,5. Выемка врезалась в плотные литифицирован-
ные олигоценовые глины с влажностью 16—18% и высокими по-
казателями трения и сцепления, определенными лабораторными
методами Выемку не удалось довести до проектной глубины, воз-
никли деформации выпора дна и низа откосов, что вынудило
остановиться на глубине 22 м, раскрыть откосы до 1 : 2 и частично
одеть их бетонными плитами (рис. 7 3). При изысканиях и в Про-
екте не было учтено, что олигоценовые глины обладают высоким
294
естественным напряжением, обусловленным тектоническим дав-
лением со стороны Гагрского хребта, поднимающегося и надви-
гающегося по разломам на толщи пород прибрежной зоны.
Аналогичные явления отмечены А. В. Скемптоном (1964) на
откосах неглубокой выемки в «лондонской» (палеогеновой) ли-
тифицированной, частично выветрелой глине на дороге у Норт-
холт (Англия), в которой через 19 лет возник оползень. Во время
смещения по данным «обратного расчета» глина характеризова-
лась сцеплением С~0,07 кгс/см2 и трением ,ф==18° при Wz=30% и
/р=5О°/о, в то время как до создания выемки у глины С=
=0,16 кгс/см2 и <р=20°, т. е. прочность снизилась примерно на
60%.
Устойчивость откосов глубоких выемок и высоких нагорных
откосов полувыемок в скальных породах представляет сложную и
ответственную задачу при инженерно-геологических изысканиях
для авто- и железных дорог. Задать откосы bpibmok такой крутиз-
ны, чтобы исключить вероятность падения отдельных камней,
глыб, малых обвалов, осовов и оползней, нередко практически не-
реально из-за большой крутизны, высоты и протяженности скло-
нов. На практике допускается крутизна дорожных откосов боль-
шая, чем предельная для конкретного геологического строения
склона, но при условии: а) постоянных наблюдений при эксплуа-
тации дороги за его состоянием, выдачи краткосрочных прогно-
зов вероятности осыпания, падения глыб и других деформаций;
б) осуществления различных удерживающих и защитных соору-
жений и мероприятий как в период строительства дороги, так и
дополнительных при ее эксплуатации и в) регулярной уборки не-
устойчивых глыб. В главе IX учебника Г. С. Золотарева «Инже-
нерная геодинамика» (1983) рассмотрены вопросы устойчивости
обвально-осыпных и оползневых склонов в скальных трещинова-
тых неравномерно выветрелых и разуплотненных породах и меры
по их стабилизации. Интересные и многочисленные примеры по
укрепительным инженерным и лесомелиоративным мероприя-
тиям, по стабилизации склонов и обеспечению безопасности и не-
прерывности движения на авто- и железных дорогах изложены в
книгах Н. М. Королькова и В. Л. Еремина (1968); «Оползни...»
под редакцией Р. Шустера (1981).
В изложенном подходе защиты дорожных сооружений имеется
определенный риск, который должен быть обоснован в инженер-
ном и экономическом отношениях. Катастрофические последствия
должны быть исключены; если есть вероятность опасных разру-
шений дороги, то надо рассмотреть иные варианты проложения
земляного полотна, замену выемок на присклоновые туннели, за-
щиту полузакрытыми галереями или перенос трассы. Существен-
но возрастает роль инженерно-геологических изысканий по оцен-
ке устойчивости территории и прогнозу геологических процессов
с учетом техногенного влияния дороги.
Основные вопросы инженерно-геологическ°го изучения участ-
ков расположения глубоких выемок и полувыемок на стадиях
295
ТЭО, Проекта и рабочей документации сохраняются, изменяются
детальность, методы, виды и объемы работ. При проектировании,
строительстве и реконструкции дорог необходимо существенно
поднять значение изысканий на стадии ТЭО, на которой обосно-
вывается принципиальный выбор из нескольких вариантов трассы
дороги, размещения искусственных сооружений, в том числе глу-
боких выемок, мостов и др.
Сложные случаи возведения земляного полотна и сооружений
авто- и железных дорог. К ним относятся участки и районы с ин-
тенсивным развитием оползней, обвалов, карста, селевых потоков,
эрозионных и абразионных размывов, переработки берегов водо-
хранилищ, просадок в лёссах, термокарста, проседаний на подра-
батываемых территориях, мерзлотно-геологических процессов и
сейсмичности. Негативные геологические процессы взаимообус-
ловлены и конкретные территории характеризуются их сочета-
нием, например эрозии или абразии с оползнями и обвалами; эро-
зии, оползней и селевых потоков и т. п. Следовательно, на всех
стадиях изысканий надо изучать ассоциации геологических про-
цессов, взаимодействующие факторы, оценивать их масштабность,
интенсивность и степень опасности для дорожных сооружений и
обосновывать инженерную защиту.
Методика изучения геологических процессов применительно к
задачам дорожного строительства имеет свои особенности, обус-
ловленные: а) большой протяженностью (линейностью) сооруже-
ний; б) допустимостью частичного изменения трассы из-за опас-
ных участков и значительных затрат на их укрепление при сохра-
нении главного направления дороги; в) возможностью выполне-
ния с большей эффективностью защитных и укрепительных меро-
приятий на потенциально неустойчивых участках дорог при экс-
плуатации, когда проявляются особенности негативных инженер-
но-геологических процессов. Последнее положение не относится к
явно неустойчивым участкам дорог с интенсивными и опасными
процессами, угрожающими существованию земляного полотна и
безопасности движения; эти участки должны быть выявлены при
изысканиях на стадии ТЭО, детально изучены и оценены на ста-
дии Проекта.
Правильно организованная постоянная инженерно-геологиче-
ская и путейская службы эксплуатации дорог, режимные наблю-
дения за состоянием земляного полотна и сооружений (по систе-
ме мониторинга) позволят своевременно прогнозировать и оцени-
вать характер и степень опасности возникающей ситуации и ре-
комендовать меры укрепления, разработать проекты защиты и
быстро их осуществить. Такая система наблюдений и работ обя-
зательна при реконструкции и эксплуатации дорог в условиях не-
прерывно изменяющейся геологической среды под влиянием при-
родных и техногенных факторов.
В практике строительства и эксплуатации авто- и железных
дорог много примеров, когда квалифицированно проведенные
изыскания позволили правильно оценить инженерно-геологические
296
условия, осуществить защитные мероприятия, а постоянные на-
блюдения за состоянием земляного полотна и регулярные ремонт-
ные работы обеспечили нормальное использование дорог в очень
сложных геологических средах. Например, в районах городов Уфы
и Дзержинска проложены и эксплуатируются железные дороги,
несмотря на периодические провалы в гипсовой толще, которые
приурочены к повышенно-закарстованным бортам древних погре-
бенных долин, перекрытых аллювием, или к современным речным
склонам (рис. 10.9, 10.12, в учебнике «Инженерная геодинамика»,
1983). В то же время селевые потоки, оползни, эрозионные и аб-
разионные размывы берегов во многих областях страны причи-
няют серьезные нарушения авто- и железным дорогам, иногда вы-
зывая катастрофические последствия там, где отсутствует эффек-
тивная служба наблюдений и не осуществлены мероприятия по
инженерной защите. Инженер-геолог как при проведении изыска-
ний для обоснования проектирования, строительства новых и ре-
конструкции существующих авто- и железных дорог, так и при их
эксплуатации должен чувствовать ответственность за результаты
своих работ и за принимаемые совместно с инженером-путейцем
меры по обеспечению стабильности земляного полотна и соору-
жений. Необходимо анализировать причины деформаций на су-
ществующих дорогах, использовать положительный опыт строи-
тельства и укрепления земляного полотна в аналогичных усло-
виях.
Виды и детальность инженерно-геологических изысканий. Ли-
нейный характер и размещение различных транспортных соору-
жений на сотнях километров, разнообразие инженерно-геологиче-
ских и климатических условий трассы отражаются на содержа-
нии и специфике изысканий. Иллюстрацией к сказанному являют-
ся строящиеся и реконструируемые авто- и железные дороги че-
рез Главный Кавказский хребет, в Западной Сибири и Средней
Азии, БАМ и другие, на которых конкретные задачи и методы
изысканий различны. Трасса БАМа уникальна по разнохарактер-
ности и сложности природных условий, трудностям строительства
и последующей эксплуатации (рис. 7.4). Поэтому изыскания, на-
чавшиеся еще в 30-е годы и прерванные войной, должны были
обосновать на стадии ТЭО (тогда проектного задания) наиболее
оптимальный вариант расположения как самой трассы, так и
многочисленных мостов, выемок, насыпей, туннелей, станций и
других объектов. Задачами изысканий на стадии технического
проекта и в дальнейшем рабочей документации было детальное
изучение инженерно-геологических условий участков размещения
искусственных сооружений, окончательное обоснование типа и
параметров земляного полотна, способов производства строитель-
ных работ, системы водопонижений и проходки котлованов, тун-
нелей, глубоких выемок, пересечений селеопасных долин, обваль-
но-осыпных склонов, курумов, наледей и т. п. Особой проблемой
было изучение сейсмичности и сейсмическое микрорайонирование
территорий, в первую очередь для мостовых переходов, порталов
297
Рис. 7.4. Карта сейсмического районирования зоны БАМа (составлена Ин-том
земной коры СО АН СССР, под ред. В. П. Солоненко, 1980):
1—сейсмичность /0 в баллах; 2 — районы с /о>9. Системы: 3—неогеновая,
4 — меловая, 5 — юрская, 6 — триасовая, 7 — пермская, 8 — девонская и
каменноугольная, 9 — девонская, 10 — ордовикская, 11 — кембрийская; 12 —
протерозой; 13 — архей; 14 — граниты и граннтонды; 15 — трасса БАМа
туннелей и глубоких выемок. Для решения разнообразных задач
и выполнения огромного объема комплексных изысканий были
привлечены многие проектно-изыскательские, научные и геологи-
ческие организации. Помимо инженерно-геологического изучения
собственно трассы железной дороги надо охарактеризовать при-
легающие территории для развития городов, поселков, промыш-
ленных узлов, горных предприятий и т. д.; иными словами, дать
инженерно-геологическое обоснование разностороннему народно-
хозяйственному развитию зоны БАМа. Эти разные задачи тесно
связаны между собой, но инженерно-геологические исследования,
выполняемые для их решения, различны.
Для наглядности детальность инженерно-геологических изыс-
каний на разных стадиях и при различной сложности природных
условий представлены в табл. 7.1 применительно к основным ви-
дам дорожных сооружений.
На стадии ТЭО инженерно-геологическая съемка является ос-
новным видом исследований и ею охватываются районы намечен-
ных вариантов трасс дорог, а также прилегающие территории,
изучение которых необходимо для выяснения региональных зако-
номерностей инженерно-геологических условий, влияющих на
оценки сопоставляемых вариантов. При дорожных изысканиях
важно не пропустить те особенности геологической среды, напри-
мер наличие селевых потоков, карста, горных обвалов, снежных
лавин, многолетней мерзлоты, которые могут не проявляться не-
посредственно на трассе дороги, а опасны и требуется своевре-
менное обоснование инженерных мероприятий по защите земля-
ного полотна и сооружений. Большая протяженность трасс и пло-
щадей инженерно-геологического картирования обусловливает
особенности его проведения: в первую очередь широкое исполь-
зование космоаэрофотограмметрических методов, пенетрационно-
каротажного бурения и геофизической разведки, дополняемое бу-
рением опорных скважин, в сочетаниях в зависимости от геологи-
ческого строения и подземных вод конкретных районов и участ-
ков. Виды, количество и расположение различных точек наблюде-
ний и скважин для обеспечения кондиционности материалов опре-
деляются программой изысканий и зависят от сложности геологи-
ческой обстановки, класса дорог и проектируемых инженерных
сооружений. Приступая к полевым изысканиям, на основе пред-
шествующего сбора и обобщения имеющихся материалов выраба-
тываются рабочие гипотезы о геологических и гидрогеологических
условиях разных районов трассы, в соответствии с которыми и на
основе общей программы составляются задания, периодически
уточняемые по мере накопления данных картирования.
Изучение состава, физико-механических и фильтрационных
свойств четвертичных и более древних типов и комплексов пород,
в том числе кор выветривания, осуществляется простейшими по-
левыми испытаниями, исследованиями в лаборатории и натурны-
ми наблюдениями за их размываемостью, выветриваемостью,
осыпаемостью и состоянием в обнажениях. Выявление и характе-
ристика гидрогеологических условий трасс дорог, оползней, селе-
298
299
g Таблица 7.1
о Детальности инженерно-геологических изысканий для обоснования проектирования транспортных объектов
_____________________________________________(масштабы инженерно-геологических карт)_______________________________
Стадия изысканий и проекти- рования Сложность инж - геол, условий Трасса—земляное полотно авто- и жел. дорог и малые сооружения* Глубокие выемки, высокие насыпи Мосты, путепрово- ды Станционные узлы, заводы, пром, площадки, поселки* Месторождения строительных материалов Туннели
ТЭО простые сложные весьма сложные 1:200 000 1:100 000 1:50000—1:25000 1:25000 1:10 000 1:25000 1:10 000 1:5000 в соответствии с рекомендациями по изысканиям для промузлов н город- ских поселков, СНиП 1.02.07-87 поиски новых место- рождений, обследо- вание существую- щих карьеров, оценка запасов по категории С то же оценка запасов по категориям Б н А подробнее об изыска- ниях на участках туннелей см. гл. VI
Проект, рабочая докумен- тация (строитель- ство) простые сложные весьма сложные масштабы карт те же; детализация отдельных участков; ут оч ненне трассы, параметров зе- мля ного полот на н сооружений 1:5000 1:2000 1:2000 1:10 000 1:5000 1:2000— 1:1000
Эксплуа- тация простые сложные весьма сложные непрерывные комп- лексные наблюдения на опасных и неус- тойчивых участках; дополнит, изыскания для обоснования и осу- ществления и инж. защиты; виды н объе- мы работ определяют- ся сложностью усло- вий, характером де- формаций инструмен- тальные наб- людения за осадками со- оружений, состоянием склонов в примыкани- ях, размы- вами берегов н т. д. наблюдения за де- формациями зда- нии, уровнями грунтовых вод, подтоплением тер- риторий и другими процессами доразведка место- рождений для ре- монтных и укрепи- тельных работ разносторон- ние автома- тизирован- ные наблю- дения для оценки сте- пени опас- ности и воз- можности движения в туннелях
Примечание. 1. На стадии Схемы составляется обзор-отчет с инженерно-геологической характеристикой трасс и
районированием по имеющимся матери алам н выборочному обследованию с детальностью" 1 :200 000 — 1 :500 000 в зависи-
мости от сложности условий.
2. Отдельные сложные участки трассы н размещения промобъектов с распространением интенсивных геологических, эро-
зионных, гляциологических, мерзлотных процессов изучаются с большей детальностью в завнснмостн от характера процессов
н его опасности. Геокриологические исследования трассы дорог выполняются по дополнительным программам.
вых потоков, курумов, эрозионных и абразионных размывов, про-
садок, закарстованности, снежных лавин и интенсивности инже-
нерно-геологических процессов по данным наблюдений при экс-
плуатации земляного полотна и сооружений существующих дорог
имеют большое значение для районирования и оценки территории
при сравнении вариантов и выборе наилучшего.
Для изучения интенсивности и режима геологических процес-
сов и подземных вод по материалам выполненного картирования
создаются участки для стационарных наблюдений, которые начи-
наются на стадии ТЭО и продолжаются при дальнейших изыска-
ниях. В районах высокой сейсмичности, вероятной тектонической
подвижности по разломам, к которым часто приурочены крупные
оползни, обвалы и курумы, организуются специальные наблюде-
ния— геодезические, сейсмологические, повторное инструмен-
тальное геологическое картирование и иные. При выборе стацио-
наров для длительных наблюдений следует исходить из их геоло-
гической типичности и приурочивать к участкам размещения бо-
лее ответственных дорожных объектов — выемкам, насыпям, мо-
стовым переходам и т. п. Их количество определяется разнооб-
разием геологической среды и протяженностью дорог.
Вопросы инженерно-геологических изысканий на трассе доро-
ги для обоснования проектирования на стадии Проекта и рабочей
документации в целом сохраняются; главное внимание и виды
работ сосредоточиваются на тех участках земляного полотна, на
которых выявлены более сложные условия и требуется осущест-
вить инженерную защиту для предотвращения нежелательных
деформаций — просадок пути, размывов, оплывин, детальнее оха-
рактеризовать участки расположения водопропускных труб, ма-
лых мостов, насыпей и выемок. Повторное инженерно-геологиче-
ское попикетное описание должно быть более подробным и со-
провождаться для отдельных участков картами-врезками, схема-
ми и разрезами в масштабах от 1 : 10 000 до 1 : 1000 в зависимо-
сти от объектов и характера прогнозируемых процессов. Основ-
ные инженерно-геологические карты и продольные разрезы по
трассам дорог, включая поперечные профили на типичных участ-
ках, обычно имеют тот же масштаб, что и на ТЭО, или на сту-
пень больше, но содержание их, обоснованность районирования и
рекомендации защитных мероприятий должны быть значительно
подробнее.
Содержание и детальность инженерно-геологических изыска-
ний на участках высоких насыпей и глубоких выемок, которые яв-
ляются индивидуальными объектами дороги, определяются их па-
раметрами, сложностью геологической среды, и предполагается
двустадийное выполнение. На стадии ТЭО основными задачами
являются инженерно-геологическая характеристика территории
возможного проложения насыпей и выемок в нескольких вариан-<
тах и обоснование для выбора наилучшего, удовлетворяющего об-1
щему направлению трассы. Изучение главных компонентов геоло-
гической среды осуществляется на основе инженерно-геологиче-
301
ской съемки масштаба 1 : 25000—1 : 10000 в зависимости от слож-
ности условий, которая сопровождается геофизическими, пенетра-
ционно-каротажными и буровыми работами, а также проходкой
шурфов и расчисток; окончательные виды и объемы работ опре-
деляются по первым результатам картирования.
Предварительная оценка сжимаемости грунтов основания на-
сыпей, определение оптимальных параметров устойчивых откосов
выемок, наличия грунтовых вод и необходимости их дренирова-
ния требуют подтверждения разведочными выработками о зале-
гании, распространении вод во всех основных толщах пород.
Характеристика физико-механических свойств пород дается по
результатам детального лабораторного, иногда натурного (про-
стыми методами) изучения, для получения обобщенных показате-
лей. Расчеты деформации оснований насыпей (осадок), дренажей,
устойчивости откосов и дна выемок на стадии ТЭО являются ори-
ентировочными; они должны быть уточнены на стадии Проекта
для выбранного варианта. Эти расчеты предназначены для суж-
дения о необходимости и видах укрепительных мероприятий по
обеспечению стабильности оснований сооружений. Инженерно-
геологическая съемка, охватывающая на стадии ТЭО значитель-
ную площадь, должна дать материалы для характеристики со-
временных геологических процессов района предполагаемого рас-
положения насыпей и выемок для оценки степени их опасности и
определения мер инженерной защиты. Создание высоких насыпей
и глубоких выемок вызовет изменения геологической среды в рай-
оне их размещения, прогноз которых в общем виде также являет-
ся задачей изысканий на стадии ТЭО.
Для возведения высоких протяженных насыпей, укрепления их
оснований за счет удаления торфяных и других сильносжимаемых
грунтов и их замены на более прочные песчаные и аналогичные
требуются значительные объемы естественных строительных ма-
териалов, поиски и предварительное изучение месторождений ко-
торых с оценкой качества и запасов категории Б составляет важ-
ную задачу изысканий. Одновременно при инженерно-геологиче-
ской съемке, в случае невозможности использовать для насыпей
грунты из выемок, необходимо определить места для их отвалов
и предусмотреть меры по их стабилизации, с минимальным ущер-
бом окружающей среде.
Изыскания на стадии Проекта сосредоточиваются на выбран-
ных участках расположения насыпей и выемок; вопросы изучения
остаются прежними, но детальность их разработки должна обес-
печить проектирование материалами, надежно обосновывающими
параметры всех сооружений, меры защиты от негативных природ-
ных процессов, производство строительных работ и выполне-
ние наблюдений по системе мониторинга при эксплуатации до-
роги.
Влияние землетрясений на устойчивость высоких насыпей и
глубоких выемок на стадии ТЭО оценивается по имеющимся ма-
териалам и нормативным документам. На стадии Проекта и в от-
302
ветственных случаях, как, например, на многих дорожных объек-
тах БАМа и Средней Азии целесообразно проведение специали-
зированного сейсмического микрорайонирования и создание для
наблюдений временных сейсмостанций. При изысканиях на ста-
дии Проекта существенно возрастают объемы разведочных, опыт-
ных геомеханических и фильтрационных работ, изучения свойств
пород и их изменчивости в сфере реального взаимодействия с вы-
емками и насыпями. По осям насыпей и выемок разведочные вы-
работки задаются примерно через 100—200 м, в зависимости от
неоднородности геологического строения, пестроты гидрогеологи-
ческих условий, параметров сооружений и их ответственности.
Особого внимания требуют полунасыпи-полувыемки, прелагае-
мые на крутых склонах, основание которых подвержено воздей-
ствию эрозии или абразии. Поперечные инженерно-геологические
разрезы целесообразно располагать через 200—300 м и дополни-
тельно, где они необходимы для проектирования дренажей, отко-
сов и защитных мероприятий.
Показатели физико-механических и фильтрационных свойств
основных литологических разновидностей пород доводятся до
расчетных значений, с объединением их в пачки и массивы раз-
ных уровней, используемых в расчетных схемах, с учетом вида и
степени трещиноватости. Обнаженные в откосах и дне выемок
породы будут подвергаться разуплотнению из-за снятия естествен-
ных напряжений, выветриванию, изменению режима влажности и
воздействию сдренированного потока грунтовых вод. Эти специ-
альные вопросы изучаются натурными наблюдениями на имею-
щихся откосах и склонах-аналогах и путем экспериментального
моделирования в лабораториях. Образование техногенной зоны
выветривания на откосах выемок увеличивает с течением време-
ни осыпание, оползание и размыв. В зависимости от интенсивно-
сти этих процессов защитные мероприятия осуществляются в пе-
риод строительства или при эксплуатации дороги, что должно
быть обосновано прогнозами процессов, их масштабами, экономи-
ческими и экологическими мотивами, исходя из условий обеспече-
ния безопасности и непрерывности движения на дорожных маги-
стралях.
Целесообразность, типы и эффективность дренажей для осу-
шения выемок подтверждаются проведением опытных откачек и
расчетами, выполняемыми по специальной программе.
На стадии Проекта основания высоких насыпей, сложенных
малопрочными, обычно водонасыщенными грунтами — старичны-
ми илами и глинами, торфяными залежами, мелкими плывунными
песками — изучаются детально пенетрационным и разведочным
бурением, испытаниями деформируемости штампами, прессиомет-
рами и на монолитах с ненарушенной структурой в лаборатории.
Расчеты и моделирование осадок насыпей из-за уплотнения грун-
тов основания, возможности выбора или смещения насыпи при
расположении ее на наклонной поверхности, а также определе-
ние устойчивости откосов должны основываться на расчетных по-
303
казателях геомеханических свойств пород, что требует значитель-
ного числа испытаний для каждого «работающего» слоя.
Оценка деформируемости, прочности, водопроницаемости, раз-
мываемости и других свойств литологических разностей и пачек
пород, для которых рекомендуются нормативные и расчетные по-
казатели, особенно при изысканиях на стадии Проекта, должна
сопровождаться изучением их состава, текстуры, структурных
связей, классификационных показателей физических характери-
стик, состояния уплотненности и влажности пород. Необходимо
выявить корреляционные связи между основными расчетными по-
казателями, состоянием и классификационными характеристика-
ми пород; это позволит объяснить их величины, поведение во
взаимодействии с сооружением и изменение во времени.
Исследования возможности и эффективности различных мето-
дов технической мелиорации грунтов для повышения стабильно-
сти оснований и откосов, насыпей и выемок проводятся по отдель-
ным программам, чаще на стадии Проекта, и включаются в ком-
плексные изыскания.
При назначении мест и количества пенетрационных и буровых
выработок, точек определения сжимаемости грунтов оснований
методами штамповых, геофизических и лабораторных испытаний
следует исходить из разумного их сочетания, учитывая, что опе-
ративные пенетрационно-каротажные работы позволяют надеж-
нее выявить и охарактеризовать малопрочные слои. Частота и
размещение выработок и опытов на продольных и поперечных
разрезах протяженной насыпи определяются неоднородностью
геологического строения трассы, изменчивостью свойств пород и
примерно аналогичны детальности изучения участков выемок.
Уточнение содержания и методики изысканий первоначальной
программы обязательно по мере накопления данных.
Месторождения естественных материалов, необходимых для
строительства насыпей и выемок (в том числе грунтов для запол-
нителей дренажей, контрбанкетов и т. д.), детально разведуются
и опробуются с подсчетом запасов по категории А2.
§ 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ МОСТОСТРОЕНИЯ
По назначению и характеру пересекаемого препятствия — реки,
залива, пролива, водохранилища и т. д. — различают: а) мосто-
вые переходы на авто- и железных дорогах и внутригородские;
б) путепроводы, пересекающие другую дорогу; в) эстакады, про-
легающие на склонах или пересекающие селевые русла, курумы,
оползневые и другие неустойчивые участки; г) виадуки, перекры-
вающие горные ущелья и акведуки для переброски вод и нефти в
трубах или лотках. По конструкции, размерам и материалу, из
которых построены, мосты разделяются на бетонные и железобе-
тонные, металлические, каменно-блочные и деревянные. В зави-
симости от рельефа, инженерно-геологических условий трассы, ха-
304
рактера водного и иного препятствия, назначения и типа мосто-
вого перехода взаимодействие с геологической средой различно,
что определяет задачи, содержание, виды и детальность изыска-
ний на разных стадиях.
В большинстве случаев местоположение мостового перехода в
пределах ограниченной полосы определяется планировочными ре-
шениями в городах, существующими или проектируемыми про-
мышленными, транспортными и другими объектами, охраной
окружающей среды и иными мотивами. Поэтому инженерно-гео-
логические и гидрологические изыскания для новых или рекон-
струируемых мостовых и других переходов начинаются на стадии
ТЭО с задачей общей характеристики основных особенностей гео-
логической среды нескольких участков для вариантного рассмот-
рения. На стадии Схемы, на которой рассматривается принципи-
альное размещение инженерных сооружений на трассах проек-
тируемых авто- и железных дорог, инженерно-геологическая
характеристика, если в ней имеется необходимость, дается по
имеющимся материалам и дополняется натурным обследованием.
После обработки материалов изысканий на стадии ТЭО и про-
ектных решений по выбору трассы моста приступают к деталь-
ным инженерно-геологическим изысканиям для разработки ос-
новных вопросов, которые включают:
1) изучение геологического строения и геоморфологии речных
долин или другой водной преграды и прилегающих склонов, нали-
чия переуглублений и пород, их выполняющих, погребенных тек-
тонических разломов, оползней, закарстованности, «карманов»
зон выветривания и иных особенностей, важных для обоснования
рационального размещения и конструкций опор мостов;
2) изучение литологического разреза толщ, их текстурных и
иных особенностей, физико-механических свойств слоев и из-
менчивости детально в пределах сферы воздействия от опор мо-
ста, и менее подробно до недеформируемых пород; особое вни-
мание уделяется характеристике состояния пород основания — их
потенциальной плывунности, выветриваемости и разуплотненно-
сти при проходке котлованов и в кессонах;
3) изучение гидрогеологических условий трасс — наличие, уров-
ни, напоры, обильность и агрессивность подземных вод в четвер-
тичных и более глубоко залегающих породах, выявление гидрав-
лических связей между разными водоносными комплексами и
слоями в целях оценки: их влияния на деформируемость отдель-
ных комплексов пород; водопритоков в строительные котлованы
и обоснования способов их проходки (водопонижение, заморажи-
вание, укрепление и т. п.);
4) разработку методов технической мелиорации по упроченик>
пород основания и уменьшению водопроницаемости;
5) исследование участков подходов к мостовым переходам и
путепроводам в виде; а) насыпей и эстакад в пределах пойм и
низких террас, нередко сложенных сильносжимаемыми аллюви-
альными, озерными и ледниковыми грунтами, б) крутых склонов
305
Рис 7 5, а Мост им СНВ в г Братиславе через р Дунай, вдали на пра-
вом берегу видны здания города нового района Петржалка (рис 4 3)
разной степени устойчивости, на которых создаются выемки или
прокладываются затяжные подъемы для выхода дорог на по-
верхность плато;
6) сложные случаи, когда трасса мостовых переходов и под-
ходы к ним располагаются в районах высокой сейсмичности и ак-
тивных разломов, развития селевых потоков, обвалов, оползней,
интенсивных размывов берегов и дна водоемов, карстовых, мерз-
лотных и других провальных явлений на подрабатываемых тер-
риториях.
Задачи и содержание инженерно-геологических изысканий для
обоснования выбора места пересечения, типа мостовых переходов
и подходов к ним в районах распространения негативных геоло-
гических явлений и сильнодеформируемых грунтов оснований зна-
чительно усложняются и должны выполняться по отдельным про-
граммам для обоснования мер инженерной защиты сооружений.
Основные вопросы инженерно-геологических изысканий должны
изучаться и оцениваться как на стадии ТЭО, так и на стадии
Проекта, но с разной детальностью, с применением различных
видов и методов работ и охватом неодинаковых площадей.
Для выработки рациональной методики инженерно-геологиче-
ских изысканий трасс мостовых переходов, эстакад, путепроводов
и других искусственных дорожных сооружений большое значение
имеет опыт соответствующих работ; рассмотрим некоторые при-
меры.
Мост им. С.Н.В. в г. Братиславе через р. Дунай
(рис. 7.5, а, б). Конструкция моста оригинальна, дано смелое ин-
женерное решение в условиях разнородно-сложного геологическо-
306
б
Рис. 7.5,6 Мост им СНВ в г Братиславе через р. Дунай, схематический геологический разрез (по М Го-
шеку и Р Сладкому) 1— насыпные образования — галечники, пески, глыбы, 2—аллювий Дуная — галечники
с песками, вверху суглинки пойменные, 3 — нео>ен — пески мелкие (а), глины малолитифицированные (б), 4 —
гранптоиды, 5 — разлом, 6 — сваи — «миланская стенка», 7 — стенка оградительная из свай, 8 — то же, с
анкерами
го строения и затруднений с развязкой дороги при сеъзде и разме-
щением опоры на левом берегу. Наибольшие сложности для проек-
тирования и геологической оценки составляло основание правобе-
режной главной несущей опоры моста, представленное водонасы-
щенными, плывунными мелкими песками и сжимаемыми малоли-
тифицированными глинами неогена. Левобережье сложено проч-
ными гранитоидами, на которые опора моста оказывает незначи-
тельное давление, и нет инженерно-геологических проблем. В рус-
ле реки песчано-глинистые неогеновые образования, слагающие
древнюю погребенную долину Дуная, сопряжены, вероятно по
разлому, с гранитоидами. Основная задача изысканий — тщатель-
ное литологическое изучение разреза и характеристика физико-
механических свойств неогеновых отложений, деформируемости и
прочности каждого слоя; глубина разведочных скважин под ос-
новные опоры составляла 50—80 м. При изучении разреза неоге-
новых пород основания эффективным был бы пенетрационно-ка-
ротажный метод, который в данном случае не применялся. Ра-
циональным, но сложным и высокой стоимости типом фунда-
мента под главную правобережную опору моста являлись буро-
набивные сваи, дополненные оградительной стеной из свай
{рис. 7.5,6).
Мосты через Волгу и водохранилище в Улья-
новске. Сложные инженерно-геологические задачи возникают
при проектировании и строительстве мостов через крупные реки,
нередко превращенные в водохранилища, на высоких берегах ко-
торых широко развиты древние и действующие оползни. При соз-
дании Куйбышевского водохранилища существующий мост в
г. Ульяновске подвергся реконструкции (был поднят на 18 м, по-
строены дополнительные опоры) и превращен в авто- и железно-
дорожный. Сопряжение с оползневым склоном в виде врезок и
насыпей на более высоких отметках потребовало проведения зна-
чительных укрепительных работ — крупного контрбанкета, в ос-
новании склона, дренажей и других мер. Непродуманное выпол-
нение строительных работ на склоне, не имеющем большого за-
паса устойчивости, вызвало оползень объемом около 5 млн м3.
Развитие Ульяновска и области потребовало постройки нового
моста за пределами города в условиях существующего водохра-
нилища с глубинами 25—30 м, интенсивно перерабатываемого вы-
сокого (до 170—180 м) правого берега с активными оползнями, с
затопленными двумя террасами и поймой, в строении которых
имеются старичные глины и торфяные залежи. В подобных слу-
чаях инженерно-геологические изыскания должны проводиться в
две стадии; первая, ТЭО, имеет следующие главные задачи:
1) изучить геологическое строение, оползни, устойчивость пра-
вобережных оползневых склонов Волги и крупных оврагов, ха-
рактер и интенсивность их переработки и развития под воздейст-
вием водохранилища, подземных вод и других факторов в преде-
лах возможного перемещения трассы дороги (вероятно, в полосе
1—2 км);
308
2) охарактеризовать строение надпойменных террас и поймы
левобережья, выявить наличие и распространение деформируе-
мых старичных, пойменных и торфянистых образований с предва-
рительной оценкой их несущей способности;
3) дать инженерно-геологическое обоснование принципиаль-
ной системы мероприятий по стабилизации всего оползневого
склона и особенно в зоне влияния водохранилища (переработка,
подпор подземных вод), обеспечивающих его устойчивость, учи-
тывая размещение опор, особенности сопряженияасним подходов
моста, врезок и т. п.;
4) выявить общее геологическое строение всей трассы моста и
подходов и охарактеризовать физико-механические свойства по-
род в целях наилучшего размещения опор моста, выбора типов их
фундаментов и обоснования расчетов вероятных деформаций.
С примерно аналогичными вопросами встретились изыскате-
ли и проектанты при строительстве нового современной конструк-
ции моста через р. Дунай выше г. Белграда в Югославии, где не-
внимательно отнеслись к устойчивости правого оползневого бе-
рега. Перед открытием движения по мосту правобережные опоры
начали испытывать подвижки под воздействием оползней и при-
шлось срочно выполнять дополнительные работы по укреплению
склона; это задержало начало эксплуатации.
В принципиальном виде главные вопросы инженерно-геологи-
ческого обоснования выбора наиболее рационального варианта
трассы моста, его конструкции, размещения опор и системы ин-
женерных мер по стабилизации склонов в отношении оползней,
карста, интенсивных эрозионных или абразионных процессов и
факторов, их обусловливающих, должны быть решены на стадии
ТЭО. Обоснование Проекта и рабочей документации предусмат-
ривает детальное инженерно-геологическое изучение и оценку на-
дежности: основания каждой опоры моста, примыканий, эффек-
тивности защитных сооружений от размыва берега и дна в соче-
тании с противооползневыми, противокарстовыми и иными меро-
приятиями.
Показательным примером инженерно-геологических изыска-
ний является мост через р. Белую в районе г. Уфы, где на лево-
бережье и в русле залегают толщи ангидритов и гипсов, сильно
закарстованные и с современными провалами, а склоны пораже-
ны оползнями и оврагами (см. рис. 10.9 в книге «Инженерная
геодинамика», 1983). В пределах поймы и низких террас распо-
ложена глубокая погребенная неогеновая долина, выполненная
водонасыщенными плывунными песками и сжимаемыми глина-
ми; гипсы в ее бортах закарстованы в такой степени, что возни-
кают карстовые провалы с образованием воронок на поверхности
террасы, сложенной песчаным аллювием мощностью 15—20 м.
Такие явления наблюдались в 1944 г. вдоль железнодорожной ли-
нии Уфа—Стерлитамак. Одна из задач в учебном пособии по ин-
женерной геологии (1989) предусматривает примерно сходные
условия и предполагает дать предварительную оценку трассы и
309
рассмотрение методики изысканий. В подобных сложных усло-
виях главными задачами изысканий на стадии ТЭО и более де-
тальных последующих являются:
— изучение геологического строения и истории формирования
всей долины реки, установление местоположения, глубины и ха-
рактера отложений погребенной долины, склоны которой, если
они сложены гипсами и иными карстующимися породами, наибо-
лее опасны из-за потенциальных провалов; исследование древней
закарстованности — распространения, степени пораженности со-
стояния массива пород и интенсивности процессов современного
карстообразования.
— изучение закарстованности и опасности карстовых прова-
лов на современных склонах и в русле реки должно составлять
единое целое с исследованиями древнего карста; на склонах по-
гребенных долин могут находиться древние оползневые и об-
вально-осыпные массы, физико-механические свойства и состояние
которых иное, менее прочное, чем основного массива, и эту геоло-
гическую особенность следует иметь в виду при выборе мест под
опоры моста; для прогноза вероятности карстовых провалов на
глубине существенное значение имеют характер, мощность и на-
дежность пачки пород, перекрывающих закарстованную толщу,
которые могут предотвратить развитие воронки сдвижения.
— изучение подземных вод — важнейшего инженерно-геологи-
ческого фактора оползневых и карстовых процессов в районах и
на участках мостовых переходов; поэтому необходимо выявить
древние и современные гидрогеологические условия и оценить их
роль на разных этапах формирования речных долин и их склонов.
Мостовые переходы в горно-складчатых рай-
онах. Относительно узкие глубокие долины горных рек, иногда
каньоны, обычно характеризуются сложным геологическим строе-
нием, складчатым залеганием пород, наличием в них тектониче-
ских разрывов и интенсивной трещиноватости, обвально-оползне-
выми процессами на неустойчивых склонах, энергичными совре-
менными движениями и нередко высокой сейсмичностью. Эти осо-
бенности геологической среды должны учитываться при выборе
трассы дорог на подходе к мостам в большей мере, чем в широ-
ких долинах равнин. Можно привести показательный пример с
трудностями размещения опор и строительства короткого (500 м)
железнодорожного моста близ Титограда на линии Белград—Бар.
Порталы построенных туннелей на левом и правом берегах реки
определили положение моста без предварительного рассмотрения
инженерно-геологических условий его трассы. Глубокая долина
реки выработана в известняках складчатого залегания, имеет
косо простирающийся к руслу крупный разлом, к которому при-
урочена значительная закарстованность. По конструктивным со-
ображениям одна из двух опор высокого моста должна распола-
гаться на разломе с карстовыми полостями, что было выявлено
только при строительстве. Потребовались дополнительные изыс-
кания, время и средства на осуществление достаточно сложных
310
укрепительных мероприятий, которых можно было бы избежать
при небольшом переносе оси моста, однако сделать это было уже
нельзя, гак как закончилось строительство порталов туннелей.
На рис. 7.6 показано возведение железнодорожного пути на
эстакадах на относительно стабильном оползневом склоне. Гео-
морфологические особенности долин горных рек указывают, что
главными задачами инженерно-геологических исследований для
подобных объектов являются:
— оценка современной общей и локальной устойчивости вы-
соких склонов па основе изучения их геологического строения,
подземных вод, истории формирования, оползневых и других про-
цессов, влияния сейсмичности для обоснования инженерных ме-
роприятий по обеспечению стабильности;
— изучение литологического строения и геомеханических
свойств пород участков вероятного размещения опор моста или
эстакад в целях оценки надежности их как основания и расчетов
осадок;
— изучение эрозионного и абразионного воздействия на бере-
га и дно реки паводковых вод или волн для оценки их влияния на
устойчивость склонов и обоснования защитных мероприятий.
В задачу оценки общей и локальной устойчивости подводных
береговых склонов и дна водоемов входит прогноз их изменения
под влиянием природных и техногенных факторов. Детальность
изысканий, оценок устойчивости, прогнозов, виды и объемы работ
на стадии ТЭО и Проекта, включая рабочую документацию, раз-
личны.
Строительство мостов и акведуков производилось в древние
времена (эпохи Рима, арабской, турецкой и других культур), и
Рис. 7 6 Эстакада между двумя туннелями на горном делювиально-осыпном
склоне, железная дорога Сараево—Плоча, Югославия
311
имеются примеры оригинальных и достаточно надежных конструк-
ций, выдержавших многовековую эксплуатацию Блочно-камен-
ный мост в южной Франции — наглядное тому доказательство
(рис 7 7, А)—обеспечивал переброску воды по акведуку (верх-
ний ярус) и транспортные проблемы Современный уникальный
мост построен в южной Италии через горную долину, с узким
(100 м) русловым каньоном и раскрытой верхней частью
(рис 7 7,5) Высота моста над руслом реки 246 м, в плане он
имеет криволинейное очертание В основании опор залегают из-
вестняки трещиноватые, различно выветрелые, локально закар-
А
Рис 7 7 А — блочно каменный двухъярусный мост с акведуком наверху, Юж-
ная Франция
Б — современный мост в Южной Италии, наибольшая высота около 250 и
312
етованные. Основные проблемы — высокая сейсмичность и обес-
печение устойчивости центральных опор моста, расположенных
вблизи бровок нижнего каньона; предполагались возможность
скола и обрушение блока трещиноватых выветрелых известняков,
в связи с чем было необходимо определить меры по их укреп-
лению.
Наиболее сложны и протяженны мосты через проливы и зали-
вы, изыскания и проектирование для которых представляют спе-
цифические задачи. Построены и эксплуатируются подвесные мо-
сты через заливы в Сан-Франциско и через Босфорский пролив;
второй имеет высоту опор 165 м с заложением их фундаментов на
глубину 24 м. Проработаны варианты совмещенного авто- и же-
лезнодорожного моста через пролив между Италией и Сицилией,
длина которого с подходами 6,1 км, с русловым пролетом около
3 км, ширина опор около 70 м. Сравниваются варианты пересече-
ния Гибралтарского пролива туннелем или мостом, при ширине
пролива 28 км и глубине 350 м.
Приведенные и другие примеры созданных и проектируемых
мостов показывают, что главными инженерно-геологическими за-
дачами при изысканиях в горных областях являются: выбор ме-
стоположения и изучение надежности пород основания очень вы-
соких опор, обычно в условиях сейсмического воздействия; устой-
чивость участков сопряжения с берегами, обычно крутыми и слож-
ного строения, с размещением на них упоров, в которые заделы-
ваются троса; изучение условий создания выемок и других соору-
жений для вывода дороги на высокие поверхности; изучение вол-
новых процессов, размыва дна и основания берега, перемещения
наносов для обоснования защитных мероприятий.
Виды и детальность инженерно-геологических работ. Как от-
мечалось, инженерно-геологические изыскания для строительства
новых и реконструкции существующих мостовых переходов обыч-
но проводятся в две стадии, реже в одну (например, при рекон-
струкции). Исключением могут быть такие сооружения, как мо-
сты через проливы Гибралтарский, между Италией и Сицилией
или через Куйбышевское водохранилище в Ульяновске, для кото-
рых ввиду их уникальности и большой сложности геологических и
гидрологических условий допустимы неоднократное и детальное
рассмотрение вариантов, их сопоставление с иными решениями,
например туннелями и т. д. В табл. 7.1 в виде масштабов инже-
нерно-геологических карт даны общие рекомендации по детально-
сти изысканий, выполняемых для изучения сформулированных за-
дач. Конкретные виды, объемы изыскательских работ и последо-
вательность их выполнения на каждой стадии должны опреде-
ляться программой в зависимости от сложности инженерно-геоло-
гических и гидрологических условий, параметров и типа мостово-
го перехода.
На стадии ТЭО обязательна инженерно-геологическая съемка,
сочетающаяся с пенетрационно-каротажной и геофизической раз-
ведками, с бурением скважин контрольного назначения для выяв-
313
Рис 7 8 Типы строения речных долин применительно к проектированию мосто-
вых переходов и примерное расположение разведочных выработок
А — раскрытая долина с широкими террасами (их номера указаны римскими
цифрами) Аллювий представлен фациями 1 — пойменной, пылеватые суглинки,
2 — пляжевой, мелкие и средние пески, 3 — старичной, глины, суглинки, торф,
4 — русловой, гравийные пески, галечники, 5 — делювий, суглинки пылеватые,
ления основных особенностей — строения современных и погребен-
ных долин, тектонических нарушений, подземных вод, оползней,
карста, селей, интенсивности размыва и микросейсмической об-
становки района размещения вариантов мостовых переходов. Кер-
ны наиболее характерных скважин должны подвергнуться инже-
нерно-геологическому опробованию для предварительной оценки
плотности, деформируемости, прочности, водопроницаемости и
других свойств; набор показателей свойств зависит от литоюги-
ческого состава и состояния пород, ее выветрелости и водонасы-
щенности. Комплексный каротаж опорных скважин существенно
пополнит данные о состоянии грунтов, позволит провести корре-
ляцию с прямыми показателями свойств и дать более обоснован-
ные характеристики пачек и массивов пород разных объемов.
Ориентировочная оценка водопритоков в возможные строитель-
ные котлованы и выемки на стадии ТЭО может быть дана по ре-
зультатам кратковременных откачек, каротажа и других косвен-
ных материалов.
Местоположения опорных скважин, в которых необходимо вы-
полнять полный комплекс наблюдений и испытаний, определяются
в минимальном количестве на основе первых результатов инже-
нерно-геологической съемки, геофизической и пенетрационной раз-
ведок в точках, характерных по геологическому строению, учиты-
вая возможное размещение опор моста и подходов к нему.
Принципиальное размещение разведочных выработок и геофизи-
ческих точек на первом этапе изысканий на линиях разрезов че-
рез долины рек при разных типах их строения применительно к
задачам проектирования мостов показано на рис. 7.8. Эти реко-
мендации надо рассматривать как ориентировочные и инженер-
геолог, выполняющий изыскания, обязан уточнять местоположе-
ние и глубины выработок в зависимости от конкретных особенно-
стей геологического строения и рельефа долины.
Инженерно-геологические разрезы через долину реки или за-
лив составляются по сечениям с наиболее типичным строением и
по возможным вариантам осей моста в масштабах более крупных,
иногда с щебнем, 6 — оползневые (dpQiv); 7 — плиоценовые (N2) глинистые и
песчаные образования в плывунном состоянии
Б — асимметричная долина с оползневым склоном и террасами, погребенной
долиной. 8 — гипсы с прослоями мергелей, различно закарстованные, сильно в
бортах погребенной долины, 9 — глинисто-мергельная толща с прослоями пес-
чаников, водоносными.
В — долина горной реки, каньонообразиая в сейсмическом районе' 10 — извер-
женные породы, трещиноватые, неравномерно выветрелые; 11 — крупный тек-
тонический разлом с зонами повышенной раздробленности. Туннели предопреде-
лили ось моста, одну из опор вынуждены размещать на разломе.
Г — долина горной реки с каиьоиом внизу, в сейсмическом районе 12 — из-
вестняки разных типов, складчатого залегания, трещиноватые, с узкими текто-
ническими зонами, неравномерно закарстованные и выветрелые, 13 — места за-
ложения буровых скважин, намечаемых по данным геологического картирования
и с учетом вероятного размещения опор моста, 14 — проектное положение верх-
него строения железнодорожного пути
315
чем масштабы инженерно-геологической и других карт изучаемо-
го района. Для более полной характеристики участков вариант-
ного размещения моста под разрезом или в виде дополнительного
чертежа составляется геологическая схема в масштабе разреза.
При выборе вертикального и горизонтального масштабов разре-
зов обязательно надо учитывать, что они являются основой для
проектных решений и должны быть читаемыми, геологически гра-
мотными, содержать четкие сведения о подземных водах, харак-
теристики состояния, свойств и других особенностей пород.
Изыскания на стадии Проекта и рабочей документации. На
участке выбранного варианта мостового перехода на стадии ТЭО
основные задачи инженерно-геологических изысканий остаются
прежними, как и на предыдущей стадии, но детальность изучения
и обоснованность рекомендации по выбору оснований для мосто-
вых опор, по обеспечению устойчивости подходов на участках
склонов и террас, а также по различным инженерным мероприя-
тиям защиты от размывов, оползней и других процессов сущест-
венно выше. Это достигается с помощью: а) бурения большего
числа разведочных скважин под каждую опору и на участках фа-
циальной смены пород, в зонах разрывов, с детальным их геоме-
ханическим и фильтрационным опробованием; б) проведения
опытных работ со штампами в скважинах и шурфах по изучению
деформационных, прочностных и других свойств пород, залегаю-
щих непосредственно ниже будущих фундаментов; в) опытной за-
бивки свай, если проектируется свайный тип фундаментов; г) вы-
полнения опытных откачек из дуста скважин для определения во-
допритоков в строительные котлованы и обоснования системы во-
допонижения; д) разнообразных электро- и сейсморазведочных
работ (профилирование, зондирование, каротаж и т. д.), уточняю-
щих особенности литологического разреза в основании фундамен-
тов, характеристики показателей деформируемости пород в зави-
симости от размеров сферы и дополнительных напряжений. На ос-
нове лабораторных испытаний на монолитах физико-механических
свойств и плотности пород в количестве не менее 10—12 для каж-
дой литологической разности, а также данных натурных штампо-
вых опытов и сейсмоакустических исследований устанавливаются
величины нормативных и расчетных значений модулей деформа-
ций и других показателей. Глубины выработок и места геомеха-
нических натурных и лабораторных испытаний на образцах опре-
деляются сферами распространения и величинами дополнительных
напряжений от массы моста, с учетом вибрационных воздействий
при его эксплуатации. Если мостовые переходы возводятся в сей-
смически активных районах, то на стадии Проекта необходимо
выполнить сейсмическое микрорайонирование участка трассы в
масштабе 1 : 2000— 1 : 5000.
Для обоснования глубины оптимального заложения фундамен-
тов опор моста, их конструкции и уменьшения стоимости строи-
тельства целесообразно выполнить специальные исследования по
выявлению эффективных методов искусственного упрочнения и
316
снижения деформируемости скальных трещиноватых и песчано-
глинистых толщ пород как путем инъекций специальных раство-
ров, так и с помощью анкерования (скальных грунтов). Совер-
шенствование методов технической мелиорации грунтов (стаби-
лизации массивов) открывает возможности для улучшения кон-
струкций фундаментов.
При сложных инженерно-геологических условиях — сильноде-
формируемые водонасыщенные песчано-глинистые грунты основа-
ния, тектонические разрывы, интенсивные размывы, негативные
геологические процессы и сейсмичность — необходимо на стадии
изысканий для Проекта заложйть наблюдательную сеть (репера,,
марки, датчики, скважины и т. д.) за различными деформациями
в породах основания и примыканиях моста к берегам и за режи-
мом подземных вод. В период строительства режимная сеть мо-
жет быть расширена и усовершенствована, а наблюдения, нача-
тые в период строительства, следует продолжать при эксплуата-
ции моста, обеспечивая контроль надежности работы сооружения.
§ 3. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИЗЫСКАНИЯ НА ТРАССАХ
МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
И ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Большая протяженность (до многих тысяч километров) трасс ма-
гистральных трубопроводов и линий электропередач, пролегаю-
щих в различных климатических, геоморфологических и геологи-
ческих областях, пересекающих разнообразные водные и иные
преграды, определяет специфические задачи комплексных инже-
нерных изысканий для обоснования проектирования и строитель-
ства этих относительно несложных линейных сооружений.
Трубопроводы газо- и нефтепродуктов прокладываются пре-
имущественно в подземных условиях на глубинах 0,8—1,1 м; на-
земное протяжение, в том числе на опорах, допускается в исклю-
чительных случаях при соответствующем обосновании. Трубопро-
воды подразделяются на классы в зависимости от их диаметра
(от 300 до 1600 мм) и давления, которое достигает 10 МПа. Наи-
более сложными в инженерном отношении участками трассы тру-
бопроводов являются пересечения с крупными болотами, реками,
водохранилищами, судоходными и магистральными ирригацион-
ными каналами, с авто- и железными дорогами, с территориями,
подрабатываемыми горными выработками, с развитием активных
оползневых и обвальных (например, через Главный Кавказский
хребет, Крестовый перевал), карстовых, селевых, просадочных,
сейсмических (например, в Средней Азии) и других процессов.
Особыми условиями для проложения трубопроводов обладают
районы с многолетней сплошной и островной мерзлотой. В ком-
плекс сооружений «трубопроводы» входят компрессорные стан-
ции перекачки, дюкеры, мосты, вспомогательные объекты, а так-
317
же мероприятия по инженерной защите трассы oi опасных геоло-
гических процессов.
Магистральные водотрубопроводы прокладываются в опюсп-
телыю редких случаях, они обычно меньшей протяженности и
диаметра, менее опасны дтя окружающей среды, чем газопрово-
ды Тем не менее инженерно-геологическая характеристика тер-
ритории для выбора трассы и оценка ее устойчивости необходи-
мы, например, для прокладки трубопроводов на Южном берегу
Крыма и в друтх районах
В СНиПе 2 05 06-85 сформулированы основные требования к
проемированию газо- и нефтепроводов и обращается внимание
на особые условия трасс в горных и других сложных условиях.
Активизация оползней на горных склонах Карпат (районы г Сва-
лявы и др), вызванная как неучтенными природными особенно-
стями (оползни), так и нарушением ведения строительных работ,
создала непосредственную угрозу газо- и нефтепроводам, а от-
дельные оползневые подвижки обусловили разрыв труб и возник-
новение пожаров Неучтенная высокая сейсмичность в районе
Газли (Узбекистан) привела к катастрофическим ситуациям
вследствие неоднократных землетрясений. Поэтому рекомендует-
ся по возможности избегать участки с высокой сейсмичностью,
активными тектоническими разломами и другими опасными гео-
логическими процессами.
Прокладка трубопроводов в районах распространения много-
летней мерзлоты изменяет режим геокриологических процессов,
вызывая различные деформации грунтов в основании трубопрово-
1
Рис. 7 9 Мерзлотные деформации трубопровода, проложенного на I падпоймен
ной террасе, трасса Надым — Пуша (фото Г Нефедовой)
318
да и на прилегающей полосе, что приводит к нарушению нормаль-
ной их эксплуатации (рис. 7.9).
Участки пересечения трубопроводами водохранилищ и круп-
ных рек, берега которых интенсивно размываются, вызывая ополз-
невые и другие виды нарушения устойчивости, требуют детально-
го инженерно-геологического изучения в целях выбора более ста-
бильных мест и обоснования инженерных мероприятий по их
укреплению. Пересечение паводко- и селеопасных речных долин и
крупных оврагов, проложение трубопроводов по территории с по-
тенциальными современными карстовыми провалами, просадками
в лёссах и иными негативными явлениями определяет необходи-
мость отдельного рассмотрения целесообразности трассы и до-
полнительных мероприятий по обеспечению надежности эксплуа-
тации. Таким образом, по содержанию и детальности изысканий
обособляются три основных направления — инженерно-геологиче-
ское изучение: 1) непосредственно трасс трубопроводов, 2) от-
дельных ее участков со сложными условиями, на которых разви-
ты или могут возникнуть опасные геологические процессы и
3) площадки, где намечается расположить насосные станции, мо-
сты и другие инженерные сооружения трубопроводов. Выбор об-
щего направления трасс трубопроводов в основном определяется
районами, откуда забирается и куда подается газ или нефть, ис-
ходя из наличия месторождений и потребностей народного хозяй-
ства. На этой стадии на основе имеющихся материалов характе-
ризуются региональные инженерно-геологические и другие при-
родные условия в виде кратких записок и соответствующих мел-
комасштабных карт: обычно 1:200 000 для горно-складчатых об-
ластей и 1 : 500 000 для равнинно-платформенных.
Непосредственные инженерно-геологические и другие изыска-
ния начинаются на стадии ТЭО на генерально-выбранном направ-
лении в полосе достаточной ширины (десятки километров) в це-
лях обоснования наиболее благоприятной по природным усло-
виям и экологически безопасной трассы, обязательно в вариант-
ных рассмотрениях. Основным методом исследований является
инженерно-геологическая и в областях распространения много-
летней мерзлоты инженерно-геокриологическая съемка с широ-
ким применением сейсмо- и электроразведки, пенетрационной раз-
ведки, в ограниченном объеме бурения скважин и шурфования,
преимущественно для опробования разреза и определения состоя-
ния и различных свойств талых и мерзлых грунтов, с деталь-
ностью обобщенных показателей. Обязателен ориентировочный
прогноз изменения мерзлотного состояния грунтов, уровней и ре-
жима грунтовых вод, возможных негативных геологических про-
цессов— просадок, пучин, выпора и подтопления трубопровода
и т. п. — на рассматриваемых вариантах трасс. Для предвари-
тельного решения этой задачи при необходимости организуются
на нескольких типичных участках краткосрочные режимные на-
блюдения за температурой и влажностью грунтов и уровнями под-
земных вод. Существенную помощь в обосновании временных
313-
прогнозов при строительстве и эксплуатации трубопроводов мо-
гут оказать данные наблюдений за состоянием территории и де-
формации существующих сооружений; рекомендуется широкое
применение метода аналогий.
Многие трассы газонефтепроводов пролегают от полярных за-
болоченных и мерзлотных областей Западной Сибири или от пу-
стынных зон Средней Азии до центральных, южных и западных
границ страны, пересекая горные массивы Урала, Кавказа и Кар-
пат, оползневые, карстовые, селевые и иные опасные и сложные
территории. Поэтому детальность инженерно-геологического кар-
тирования на стадии ТЭО должна быть различной. Оптимальны-
ми масштабами инженерно-геологических съемок являются 1 :
.'200 000—1:100 000 в зависимости от сложности рельефа и гео-
логической среды районов при условии, что отдельные типовые
участки с развитием негативных геологических процессов, неред-
ко совмещающиеся с площадками размещения сооружений, кар-
тируются в масштабах 1:25 000 и 1:10 000. Наличие подобных
материалов позволит обосновать как вариантные сравнения для
выбора трассы трубопровода, так и наилучшее расположение со-
оружений на ней. Разработаны указания и рекомендации по вы-
полнению съемки и районированию территории с развитием мно-
голетнемерзлых пород (ПНИИИС, 1984, 1986; Госстрой РСФСР,
1971).
Инженерно-геологические изыскания на стадии разработки
проекта трубопроводов и сопутствующих сооружений сосредото-
чиваются на выбранной в ТЭО трассе и предполагают детализа-
цию:
— геологического строения трассы с окончательным оконтури-
ванием, районов распространения старичных, песчано-плывунных,
торфяных и других малопрочных и деформируемых грунтов, опре-
деление их свойств, влажности, плотности, пучинности, тиксотроп-
ности, мерзлотных и механических характеристик путем проведе-
ния дополнительных геофизических, буровых, пенетрационно-ка-
ротажных, шурфовочных и экспериментальных работ;
— глубины залегания и режима грунтовых вод и верховодки,
их режима в зависимости от микрорельефа и особенностей лито-
логического разреза района, климатических условий, стока и ин-
фильтрации атмосферных осадков;
— мест проявления, характера, интенсивности и параметров
современных геологических процессов — мерзлотных, оползневых,
эрозионных, карстовых и других, прогноз влияния на их развитие
техногенных факторов с использованием методов эксперименталь-
ных и аналогий по данным наблюдений на трассах существующих
трубопроводов.
Инженерно-геологические и другие материалы изысканий мо-
гут быть представлены с учетом требований проектирования в ви-
де различных карт и разрезов по трассе трубопровода с райони-
рованием территории в масштабах более крупных или в тех же,
что и на стадии ТЭО, но существенно насыщенных фактическими
320
данными и содержащих более детальные врезки ио типичным
участкам с развитием негативных процессов. Инженерно-геологи-
ческие и мерзлотные данные по трассе должны быть достаточны
для обоснования проекта мероприятий инженерной защиты. При
проложении трубопроводов на болотах и в озерных западинах, где
распространены песчаные плывуны, рыхлые торфа, илы, необхо-
димо охарактеризовать и обосновать меры, предотвращающие по-
гружение трубопроводов и нарушение нормальной их эксплуа-
тации.
Большое внимание на стадии Проекта уделяется изучению ин-
женерно-геологических условий площадок расположения насос-
ных станций, пересечений с водными преградами, авто- и желез-
ными дорогами и т. п. В зависимости от особенностей геологиче-
ского строения площадки и характера преграды выполняются де-
тальное (1:5000—1:2000) инженерно-геологическое картирова-
ние, разведочное бурение и шурфование, опытное определение
штампами деформационных и прочностных свойств грунтов осно-
ваний сооружений и откосов выемок, по которым намечено про-
ложение трубопровода. При проведении изысканий на площадках
насосных станций, мостовых переходов и других вспомогательных
объектов трубопроводов следует пользоваться соответствующими
методическими указаниями и инструкциями для конкретного вида
сооружений. Ввиду большого разнообразия геологических, кли-
матических, гидрологических и иных условий районов, которые
пересекают трассы трубопроводов, могут возникнуть разнообраз-
ные вопросы методического характера, например по прогнозу из-
менения режима грунтовых вод, состояния территории мерзлотно-
го и иных негативных процессов, для решения которых целесооб-
разно выполнять научные и экспериментальные исследования по
отдельным программам.
Изыскания для строительства линий электропередач. Ком-
плексные изыскания для инженерно-геологического обоснования
выбора конкретных трасс между заданными пунктами и характе-
ристики отдельных площадок для опор мачт на линиях электро-
передач (ЛЭП) отличаются линейным характером. ЛЭП, подобно
трубопроводам, пересекают различные территории и преграды с
разнообразными климатическими, гидрологическими и геологиче-
скими условиями. Выбор и оценка трассы ЛЭП и мест под опоры
мачт является менее трудной задачей по сравнению с трассами
для трубопроводов, хотя имеются свои особенности. Изыскания и
проектирование ЛЭП в стране проводятся в больших объемах
специализированным институтом по ведомственным инструкциям.
На первой стадии изысканий ТЭО линий электропередач, не-
обходимо по заданному направлению трассы выполнить: а) обоб-
щение имеющихся гидрологических и инженерно-геологических
материалов; б) маршрутное картирование в масштабах от 1 :
: 200 000 до 1:50 000 в зависимости от сложности природных ус-
ловий и в полосе шириной, достаточной для вариантного рассмот-
рения трассы ЛЭП и рекомендаций наилучшей по геоморфологи-
321
ческим и инженерно-геологическим признакам; в) инженерно-гео-
логическое районирование трассы с показом участков развития
интенсивных геологических процессов (эрозионных, селевых, об-
валыю-оползневых, карстовых и др), на которых размещение
мачт ЛЭП нежелательно или представляет трудности или требу-
ются инженерные мероприятия по укреплению площадок под опо-
ры; г) детальное и микросейсмическое районирование трассы в
целях обоснования конструкций фундаментов опор мачт ЛЭП,
исключающих их опрокидывание при землетрясениях и ветровых
нагрузках; д) общую характеристику территории, прилегающей к
трассе ЛЭП, на которой могут быть проложены подъездные до-
роги, линии связи и иные вспомогательные объекты. Исходя из
предварительных проектных предположений о расположении ос-
новных опор, устойчивость участков их размещения целесообраз-
но охарактеризовать подробнее путем детального картирования,
заложения неглубоких шурфов и предварительной оценки свойств
пород, включая электрические для обоснования заземления.
На второй стадии, Проекта ЛЭП, уточняются местоположение
опор, физические и механические свойства грунтов в их основа-
нии, необходимость и характер мероприятий для защиты от эро-
зионных размывов, оползания, снежных лавин и селей в горных
областях. Инженерно-геологическая характеристика трассы ЛЭП,
ее районирование уточняются на разрезах и картах и в тек-
сте окончательного отчета Основное внимание при изысканиях
уделяется выбранным площадкам под опоры мачт. В ряде слу-
чаев допускается проведение изысканий для ЛЭП в одну стадию,
если на трассе нет участков со сложными природными условиями,
а ее конкретное направление четко определяется проектными со-
ображениями.
На всех стадиях изысканий основными методами должны
быть: а) картирование при широком использовании аэпофою-
снимков разных масштабов, дополняемых в районах с расчленен-
ным рельефом фототеодолитной съемкой; б) электро- и сейсмо-
разведка, пенетрационно-каротажные исследования, дополняемые
на площадках опор и потенциально-неустойчивых участках неглу-
бокими шурфами и скважинами; в) исследование физических и
механических свойств грунтов, выполняемое преимущественно на
образцах, отобранных с площадок расположения опор мачт.
§ 4. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИЗЫСКАНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
АЭРОДРОМОВ
Возрастание массы и скоростей движения самолетов на взлетно-
посадочных полосах повышает требования к надежности их грун-
тового основания, к более детальному изучению территории аэро-
дромов. В комплекс сооружений современного аэропорта входят
здания: административные, вокзальные, ангары и промышленные.
Специфическими объектами строительства современного аэродро-
322
ма являются протяженные искусственные взлетно-посадочные по-
лосы (ИВПП), которые испытывают различные деформации в за-
висимости от характера состава и строения грунтового основания,
режима его влажности, глубины залегания грунтовых вод и их
сезонного и многолетнего изменения, дренированности террито-
рии, мощности слоя промерзания и оттаивания и климатических
условий. Характерными видами деформаций грунтов основания,
приводящих к проседанию и разрушению покрытий ИВПП, явля-
ются: пучины, разжижение грунтов при оттаивании, набухании,
уплотнение малопрочных грунтов (торф, или озерно-болотные,
просадочные лёссовые и аналогичные образования). Между де-
формациями покрытий аэродромов и автодорог и образующими
их факторами — изменение режима температур и влажности
грунтов основания — имеется аналогия, но опасность из-за хотя
бы частичного разрушения ИВПП существенно выше для аэро-
дромов.
Главные требования на проектирование аэродромов определе-
ны в СНиПе 2.05.08-85, в котором предусмотрено изучение грун-
товых оснований и покрытий ИВПП и других сооружений. Осно-
вание ИВПП из дополнительно уплотненных грунтов естественно-
го залегания или привезенных искусственных должно восприни-
мать внешние нагрузки через многослойную конструкцию аэро-
дромной одежды и обеспечивать ее надежность и устойчивость в
любых климатических условиях. Допускаются предельные величи-
ны вертикальной деформации ИВПП от 2 до 4 см в зависимости от
типа покрытия и воздействия самолета. Основные задачи инже-
нерно-геологического изучения территорий аэродромов следующие:
— характеристика состава, залегания и физико-механических
свойств грунтов детально в пределах толщи непосредственного
воздействия и глубже в общем виде; в зависимости от категории
воздушного судна давление от его колеса составляет от 50 до
250 килоньютон; толщина деформируемой толщи принимается в
пределах до 6 м;
— оценка гидрогеологических условий: глубины залегания
уровней грунтовых вод, их состава и особенно режима, с учетом
положения УГВ к началу промерзания глинистых, суглинистых и
песчаных грунтов, что различно влияет на образование пучин и
на вероятное деформирование покрытий ИВПП; выявление необ-
ходимости и методов осушения грунтового Основания ИВПП и
прилегающих участков;
— определение изменения показателей деформируемости и
прочности грунтов основания ИВПП в зависимости от режима и
степени их влажности в разные сезоны года, по которым дается
многолетний прогноз;
— детальное исследование процессов сезонного и многолетнего
замерзания и оттаивания грунтов основания при наличии покры-
тий на основных взлетно-посадочных и вспомогательных полосах
и на других участках, в условиях их взаимовлияния и изменен-
ного режима грунтовых вод.
323
Особые типы оснований ИВПП, представленные грунтами
сильносжимаемыми, набухающими, легкоразмокаемыми (проса-
дочными и засоленными), интенсивно промерзающими и оттаива
ющими при сезонных изменениях влажности, требуют более де-
тальных инженерно-геологических изысканий В этих случаях
необходима постановка режимных наблюдений и разработка ре
комендаций по предотвращению недопустимых деформаций пок-
рытий путем осуществления различных дренажных мероприятий,
создания специальных термоизолирующих слоев, создания песча-
но-гравийных подушек и других конструктивных решений аэро-
дромной одежды
Инженерно-геологические изыскания для обоснования проек-
тирования, строительства и эксплуатации аэродромов целесооб-
разно выполнять постадийно Выбор района для создания аэро-
дрома определяется общими требованиями и схемой развития
воздушного транспорта, для которых имеющаяся инженерно-гео-
логическая информация, возможно, будет полезна и ее целенап-
равленно собирают и обрабатывают в виде соответствующих сво-
док Непосредственные инженерно-геологические изыскания начи-
наются на стадии ТЭО в целях обоснования выбора территории
аэродрома в намеченном районе и последующих детальных изыс-
каний на конкретной площадке. Основные задачи изысканий, рас-
смотренные выше, на стадии ТЭО и Проекта строительства аэро-
дрома, в целом одинаковы, но различаются детальностью, разме-
рами изучаемой территории, составом и объемами картировочных.
разведочных, лабораторных и других работ
Инженерно-геологическое картирование на стадии ТЭО района
вариантного размещения аэродрома проводится с детальностью
1 25 000—1 10 000 в зависимости от сложности рельефа, стро-
ения грунтовой толщи, характера обводненности и заболоченности
территории Разведочные выработки — шурфы и скважины —
задаются на характерных геоморфологических элементах, из ко-
торых отбираются образцы, преимущественно с ненарушенной
структурой, типичных литологических разностей для изучения
простейшими методами их гранулометрического и солевого соста-
ва, физико-механических свойств, плотности, влажности, пластич-
ности, водопроницаемости, теплопроводности, сжимаемости и
прочности Детальность характеристики свойств грунтов возмож-
ных оснований ИВПП и других объектов на стадии ТЭО может
соответствовать уровню обобщенных показателей, а на стадии
Проекта (на выбранной территории) должна быть на уровне рас-
четных показателей Не исключается, что при детальных изыска-
ниях целесообразно выполнить, опытные откачки для обоснования
типа и эффективности дренажных мероприятий, опытные лабо-
раторные и натурные работы по искусственному упрочнению
грунтов различными способами, по подбору оптимальных смесей
для подушек под асфальтобетонными покрытиями с теплоизоля-
ционными и осушительным влиянием и т п.
Все натурные и экспериментальные инженерно-геологические
324
исследования па всех стадиях должны выполняться по разрабо-
танным программам, согласованным с руководителем Проекта
и периодически уточняемым по мере накопления информации.
Прогнозы режима теплового состояния, влажности и уровней
подземных вод в грунтовых основаниях ИВПП и в окружающей
толще пород являются приближенными. Соответственно оценка
изменения показателей механических свойств и вероятности де-
формаций покрытий из-за образования пучин и разжижения грун-
тов также условна. Поэтому на участках аэродромой, где потен-
циально возможно развитие нежелательных деформаций, целесо-
образно организовать режимные наблюдения с дистанционным
измерением влажности, порового давления и промерзания грун-
тов оснований ИВПП и других объектов. Эти наблюдения позво-
ляют принять своевременные меры по стабилизации грунтов и
обеспечить надежность эксплуатации сооружений аэродромов.
Глава VIII
ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ПРИ РАЗРАБОТКЕ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Задачи и содержание инженерно-геологических исследований для
горнодобывающей промышленности характеризуются специфичес-
кими особенностями, обусловленными:
— большими глубинами, площадями и объемами разрабатыва-
емых пород, содержащих полезные ископаемые;
— в перспективе преобладанием открытого способа (в карь-
ерах) ;
— разработкой месторождений со сложными инженерно-гео-
логическими и гидрогеологическими условиями, в областях с гор-
ным рельефом, распространением многолетней мерзлоты и т. п.;
— вовлечением в разработку месторождений с малым содержа-
нием полезного ископаемого с применением высокопроизводитель-
ной крупногабаритной механизации, что приводит к извлечению
больших масс «пустых» пород;
— необходимости глубокого и интенсивного водопонижения,
осушения месторождений, отрабатываемых подземными и откры-
тыми способами.
§ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ГЛАВНЫЕ
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
В комплекс сооружений горнодобывающих предприятий и горно-
обогатительных комбинатов (ГОК) входят:
— при подземной разработке — шахтные стволы, штреки,
квершлаги, вспомогательные и другие выработки; а также над-
шахтные сооружения, отвалы, обогатительные фабрики, подъезд-
ные дороги, склады административные и другие здания;
— при открытой разработке — карьеры с рабочими и нера-
бочими бортами, с бермами и откосами, въездные и выездные
траншеи, внутренние и внешние авто- и железные дороги, водоот-
водные и осушительные канавы, внутренние и внешние отвалы,
обогатительные фабрики;
— подъездные дороги, водо- и пульпопроводы, различные
вспомогательные здания, сооружения и т. п. При проектировании
и строительстве ГОКов предусматривается создание нового или
326
реконструкция существующего города, осуществление инженерной
защиты территории и объектов от опасных геологических процес-
сов и другие мероприятия. Таким образом, при разработке место-
рождений полезных ископаемых, создании нового или реконструк-
ции действующего ГОКа инженерно-геологические исследования
должны быть разнонаправленными, комплексными и проводиться
для решения широкого круга задач. Главными из них являются
гидрогеологическое и инженерно-геологическое обоснование вы-
бора и осуществление рациональной, технически и экономически
эффективной открытой, подземной или комбинированной системы
отработки месторождения, обеспечение безопасности работ и ох-
раны окружающей среды.
Инженерно-геологическое изучение месторождений полезных
ископаемых сформировалось в особую важную отрасль инженер-
ной геологии, тесно контактирующую с горной наукой и произ-
водством горно-строительных работ. Система «геологическая сре-
да — горные (подземные, открытые) разработки», каждый ком-
понент которой динамичен, многофакторен и взаимообусловлен,
требует специфических методик исследований. В комплексных
исследованиях важны непрерывные разнообразные режимные
наблюдения, небходимые для осуществления мероприятий, обес-
печивающих эффективную и безопасную отработку месторожде-
ний и функционирование вспомогательных сооружений.
Исторически инженерная геология всегда была тесно связана
с горным делом и развивалась в Московском и Ленинградском
горных институтах, оформившись в 1930 г. в самостоятельную
геологическую науку после организации соответствующих кафедр
в Ленинградском горном и Московском геологоразведочном ин-
ститутах. Многие инженерно-геологические проблемы месторож-
дений полезных ископаемых разрабатывались ранее и изучаются
в настоящее время горными инженерами, проектирующими горно-
добывающие предприятия и осуществляющими строительство
шахт и карьеров; возникло новое направление — горная геоме-
ханика. Расширение и усложнение подземной и открытой разра-
боток месторождений обусловили необходимость более глубокого
изучения особенностей геологической среды и возрастающего
участия инженеров-геологов и гидрогеологов.
В горном деле наиболее полно отражается сложная и непо-
средственная связь проблем гидрогеологии и инженерной геоло-
гии. Значительные водопонижения из глубоких шахт и карьеров
вызывают возникновение больших градиентов и скоростей движе-
ния подземных вод в окружающих массивах и, как следствие,
процессов суффозии, изменения напряженного состояния и
свойств пород, которые в свою очередь влияют на характер дви-
жения подземных вод, водопритоки и т. п. Обязательность учета
изменений закономерностей движения подземных вод в деформи-
рующихся массивах пород в связи с горными работами побудила
В. М. Шестакова и В. А. Мироненко предложить новое погра-
ничное направление — гидрогеомеханику.
327
При утверждении запасов месторождений в ГК.З обязательно
представление инженерно-геологических и гидрогеологических
данных, достаточных для суждения об эффективности и экономи-
ческой обоснованности отработки полезного ископаемого, о влия-
нии горных работ на окружающую среду. По проблемам гидро-
геологии и инженерной геологии успешно работают институты —
ВСЕГИНГЕО, ВИОГЕМ, ВНИМИ, Кольский филиал АН СССР,
горные и геологические факультеты вузов.
Инженерно-геологические исследования на стадиях детальной
разведки месторождений, проектирования горных выработок и
комплекса объектов ГОКа предполагают изучение особенностей
геологической среды с целями: надежного обоснования выбора
рациональной системы и безопасной добычи полезных ископае-
мых; размещения, использования и рекультивации отвалов; спе-
циальных мероприятий по охране окружающей среды, проектиро-
вания промышленных зданий, жилых поселков, дорог, защиты их
от опасных геологических процессов. Воздействие горнодобываю-
щих предприятий и сопутствующих сооружений на геологическую
среду весьма разнообразно и существенно, поэтому комплексные
наблюдения и оценка негативных ее изменений должны быть не-
прерывными для выбора и осуществления мероприятий инженер-
ной защиты по системе мониторинга.
При постадийном, с разной детальностью, комплексном изу-
чении территории месторождений полезных ископаемых, отраба-
тываемых разными способами, главные инженерно-геологические
и гидрогеологические задачи с учетом горнотехнических факторов
укрупненно определяются следующим образом:
1) прогноз и оценка степени опасности горного давления,
горных ударов, вывалов, выпора и других деформаций пород,
в том числе многолетнемерзлых, при подземной отработке место-
рождения для обоснования конструкции и крепления выработок,
производства строительных и горных работ и мероприятий по
предотвращению негативных последствий;
2) прогноз возможных мест и объемов прорыва в горные вы-
работки и карьеры подземных вод, плывунов и газов, а также
характеристика температурного режима в выработках и обоснова-
ние системы эффективного водопонижения;
3) оценка вероятности, параметров и механизма сдвижения
пород над выработанным подземным пространством и образова-
ние мульд проседания с учетом влияния на состояние массива
гидродинамического давления при больших водопонижениях и
суффозионных процессах;
4) оценка общей и локальной, временной и длительной ус-
тойчивости рабочих и нерабочих бортов глубоких карьеров, отко-
сов транспортных выемок в условиях действующего водопониже-
ния; обоснование выбора рациональной системы вскрышных
работ;
5) инженерно-геологическая характеристика территории, при-
легающей к месторождению, для выявления устойчивых мест под
328
временные и постоянные, «сухие» и гидроотвалы горной массы,
нередко огромных объемов (до п-100 млн м3), из вскрышных по-
род карьера или извлекаемых из шахт; определение последова-
тельности их укладки и возможности использования для строи-
тельства дорог и других целей.
Рациональная методика инженерно-геологических исследова-
ний в периоды детальной разведки, строительства и эксплуатации
горнодобывающих предприятий требует проведения разнообраз-
ных работ по изучению особенностей строения и процессов геоло-
гической среды района месторождения, разработки научно-при-
кладных вопросов, важных для оценки и выводов. К их числу от-
носятся:
— изучение инженерно-геологических разрезов месторождения,
их фациальной изменчивости, выделение литологических комп-
лексов, пачек, типов, слоев и элементов пород, включая контакты
между ними, характеристика их состава и физико-механических
свойств, с учетом неоднородностей и трещиноватости, в природ-
ном и измененном при вскрытии в шахте или карьере состояниях;
— изучение подземных вод, распространенных в разных комп-
лексах пород, напорных и безнапорных, их гидравлических свя-
зей, условий формирования, движения, разгрузки и режима, эф-
фективности дренирования разными методами и гидравлических
характеристик в целях оценки влияния на суффозионные про-
цессы, изменение напряжений и устойчивость массивов пород;
— типизация и оценка инженерно-геологических массивов по-
род разных уровней с учетом вида и параметров горных вырабо-
ток, характеристика напряженно-деформированного состояния и
вероятных изменений массивов под воздействием природных и
техногенных факторов (используя рекомендации Г. А. Голодков-
ской и Л. В. Шаумян, 1988);
— совершенствование применительно к реальным инженерно-
геологическим условиям и поставленным горнотехническим зада-
чам, методов физического и математического моделирования для
широкого использования по прогнозу негативных горно-геологи-
ческих процессов и обоснованию борьбы с ними;
— научно-методические проработки по специализированному
изучению геомеханических свойств пород и слагающих их масси-
вов разных уровней, залегающих на больших глубинах и находя-
щихся в сложном напряженно-деформированном состоянии, а
также по оценке изменения свойств пород во времени при вскры-
тии их в карьерах и шахтах, воздействии процессов выветривания,
разуплотнения, суффозии и гидродинамического давления сдрени-
рованных подземных вод.
На некоторых рудниках и карьерах (например, Тырныаузский
ГОК на Северном Кавказе) проектируются громадные объемы
«сухих» (430 млн м3) и гидроотвалов (более 500 млн м3) в усло-
виях горного рельефа, где отсутствуют благоприятные для их
размещения территории. Поэтому во многих случаях выбор ус-
тойчивых площадей для отвалов, обеспечение стабильности тер-
329
ритории и предотвращение формирования в них оползней, камен-
ных лавин и селевых потоков являются специальной важной инже-
нерно-геологической и горнотехнической задачей. В ряде случаев
вскрышные породы, как было в Ангренском угольном районе
(Узбекистан), использовались для создания контрбанкета (объ-
емом более 60 млн м3) для стабилизации Атчинского склона, на
котором сформировались оползни в несколько сотен миллионов
кубических метров и ведется газификация угля (Ниязов, 1982).
На крупных отвалах, даже уложенных по рациональной схе-
ме — в основании более крупные дренирующие грунты, возмож-
но развитие деформаций, нарушающих общую и локальную ус-
тойчивость, в виде оплывин, оползней, осовов, осыпей, смыва и
образования промоин при сезонных ливнях и нарастающем во
времени обводнении. Аналогичные негативные инженерно-геоло-
гические процессы возможны на обнаженных бортах карьеров,
уступов, берм и на откосах транспортных и других выемок.
Гидрогеологические исследования для обоснования осушения
месторождений полезных ископаемых составляют единый комп-
лекс с инженерно-геологическими, имеют важное значение при
проектировании и эксплуатации горных разработок. Необходимо
выбрать и в дальнейшем совершенствовать систему водопониже-
ний при шахтной или открытой отработках, наиболее соответству-
ющую конкретному типу месторождения, особенностям геологи-
ческой среды и способу добычи ископаемого.
Осушительные мероприятия включают: вертикальные завесы
и уровневодопонизительные установки из одно-двухрядных сква-
жин, откосных дренажей и лучей горизонтальных скважин, игло-
фильтровых установок и иных систем, осуществляемых в сочета-
нии с технологией горных работ. Опасные прорывы напорных вод
в шахты и карьеры и вызываемые ими деформации пород долж-
ны быть, безусловно, предотвращены.
Вопросам обоснования устойчивости бортов карьеров в усло-
виях интенсивного осушения посвящена большая научная и ме-
тодическая литература (Фисенко, 1965; Фисенко и др., 1974, 1986;
Мироненко и др., 1982; и др.).
§ 2. ТИПЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ
ИСКОПАЕМЫХ
Методика инженерно-геологических исследований для обоснова-
ния строительства и эксплуатации горнодобывающих предприятий
обусловлена особенностями геологической среды и прогнозиру-
емыми горно-геологическими процессами, зависящими от типов
выработок, их размеров, крепления и скорости проходки. Место-
рождения типизируются по нескольким признакам. В инструк-
циях, методических руководствах и рекомендациях института
ВСЕГИНГЕО (1975, 1977, 1982, 1986) приводятся несколько раз-
личающиеся типовые схемы месторождений, в частности в работе
330
1986 г. выделяются шесть типов с учетом геоструктурных этажей,
региональных инженерно-геологических и гидрогеологических ха-
рактеристик массивов:
1) переслаивающиеся осадочные (несвязные, связные, полу-
скальные) породы платформ с водоносными горизонтами порово-
и трещинно-пластовых вод;
2) магматические и метаморфические (преимущественно
скальные) породы складчатого фундамента платформы, перекры-
того осадочным чехлом, с водоносными горизонтами пластовых
вод в чехле и с трещинными водами в верхней части фундамента;
3) магматические и метаморфические (преимущественно
скальные) породы щитов с трещинными и трещинно-жильными
водами (в верхней части щита и зонах разломов);
4) вулканогенно-осадочные, метаморфические и литифициро-
ванные осадочные (скальные и полускальные) породы, прорван-
ные магматическими телами, молодых и древних горно-складча-
тых областей, с трещинными, трещинно-пластовыми и жильными
водами;
5) ритмично переслаивающиеся литифицированные (полу-
скальные и скальные) породы краевых прогибов, межгорных
депрессий, мульд с водоносными горизонтами трещинных и тре-
щинно-пластовых вод;
6) преимущественно закарстованные карбонатные скальные
породы горно-складчатых областей и краевых прогибов с водо-
носными горизонтами или бассейнами трещинно-карстовых вод.
Допускается, что месторождения одного типа могут характери-
зоваться разной сложностью условий и, следовательно, их изуче-
ние определяется такими факторами, как близкое расположение
водоема или реки, наличие мощных водоносных горизонтов и их
минерализация, кор выветривания, островной многолетней мерз-
лоты, зон трещин, разломов и их подвижность, высоких естест-
венных напряжений и т. п. В зависимости от указанных особен-
ностей геологической среды месторождений в целях рациональной
методики изучения обособляются четыре категории их по степени
сложности.
Простые месторождения сложены преимущественно породами
с выдержанным и литологическим составом, фильтрационными и
физико-механическими свойствами (коэффициент вариации 20—
25%), имеют простую морфологию залежей полезных ископаемых
и несложное тектоническое строение, залегают на малых глубинах
(первые десятки метров), выше местного базиса эрозии, в толщах
мерзлых пород сплошного распространения с температурой ниже
—3 С.
Месторождения средней сложности характеризуются развити-
ем пород большей частью с умеренно изменчивым и литологичес-
ким составом, фильтрационными и физико-механическими свойст-
вами (коэффициент вариации 25—35%), с усложненными морфо-
логией залежей полезных ископаемых и тектоническим строением,
а также проявлением отдельных из указанных выше факторов,
331
лишь в некоторой мере усложняющих природные условия место-
рождений и их изучение.
Сложные месторождения отличаются значительной изменчи-
востью литологического состава, фильтрационных и физико-меха-
нических свойств пород (коэффициент вариации свыше 35%),
сложными морфологией залежей полезных ископаемых и текто-
ническим строением; для них характерно проявление нескольких
или одного—двух, но наиболее сложных из указанных выше фак-
торов.
Особо сложные месторождения обладают исключительными
сочетаниями осложняющих факторов. Например, месторождения
с залежами полезных ископаемых в трещиноватых, раздроблен-
ных или закарстованных породах под руслами крупных рек,
дном озер и морей, на больших глубинах в сильнонапряженных
толщах пород; среди глубоких структурных водоносных горизон-
та б л и ц а 81
Инженерно-геологические типы массивов скальных пород
для изучения месторождений полезных ископаемых
Иерархия массивов Признаки выделения ТИПЫ МаССИВОВ
I тип геологической струк- туры литолого-структурные массивы раз- ных уровней, в том числе дизъюнк тивы
II новейшие структуры массивы с разной амплитудой новей- ших движеш й и мощностью четвер- тичных отложений
III глубина залегания полез- ного ископаемого с неглхбоким, средним, глубоким, сверхглубоким залеганием
IV размеры структурных блоков, км2 блоки малые — <0,25, средние — 0,25 — 0,50, крупные — 0,50 — 0,75, мезоблоки — 0,75—1,0, мегаблоки > 1,0
V степень (коэффициент) трещиноватости КТр, % трещиноватость пород массива: сла- бая — 2, средняя — 2 — 5, сильная — 5—10, сильная, раздробленные > 10
тов с рассолами, содержащими токсичные растворенные газы; на
больших глубинах в весьма обводненных неоднородных карбонат-
ных породах карстовых районов и др.
Главным объектом инженерно-геологического изучения терри-
тории месторождения являются массивы горных пород, их сос-
тояние и геомеханические свойства с присущими им структурны-
-ми, литологическими и гидрогеологическими особенностями, вы-
.ветрелостью, трещиноватостью и тектонической нарушенностыо,
величинами напряжений и т. п. Необходим обоснованный методи-
ческий (иерархический) подход к их общей типизации в сфере
332
взаимодействия с горными работами, предложенный Г А Голод-
ковскои и Л В Шаумян (1988) и представленный в табл 8 1.
Подобная схема типизации массивов пород может использо-
ваться при составлении инженерно-геологических моделей, рас-
четных схем, районировании территорий и общих оценках с учетом
напряженного состояния и влияния подземных вод Обособление
массивов по разным признакам — составу, строению, глубинам,
нарушенности и др — позволяет более обоснованно прогнозиро-
вать горные удары и давление, температурный режим, оценивать
подземные воды и характеризовать типы массивов кодовой
записью В Д Ломтадзе (1986) месторождения твердых полез-
ных ископаемых типизирует на пять групп по характеру пород —
скальные, полускальные, рыхлые несвязные, мягкие и мерзлые —
и по пяти градациям глубин залегания — от 40 и свыше 400 м.
Обводненность месторождений весьма различная, водопритоки
в горные выработки колеблются в объемах — от высачивания
до многих сотен кубических метров в час Например, по данным
И. П. Иванова (1987), в сланцевой шахте «Ленинградская» об-
щий водоприток из карбонатных пород ордовика составлял
в 1950 г. 900 м3/ч, а в 1980 г. возрос до 2000 м3/ч Судя по эмпи-
рическим данным, гидрогеологические условия горных выработок
месторождений характеризуются удельными водопритоками q
в кубических метрах в час на 1000 м2 обнаженной поверхности,
но которым выделяется четыре степени обводненности весьма
сильная — ^>4, значительная q от 4 до 0,4, умеренная — q от
0,4 до 0,05 и слабая — <0,005 Другой показатель — коэффици-
ент водообильности руды (м3/т) — соответственно имеет величи-
ны >25, 25—8, 8—3 и <3
Устойчивость горных пород в сводах и стенках подземных вы-
работок различная, зависит от их типа, нарушенности, геомехани-
ческих свойств, обводненности, действующих напряжений, площа-
ди обнажения и способа проходки Для оценки устойчивости мас-
сива предложены несколько классификаций М. М. Протодьяко-
нова по коэффициенту крепости, 3 Биениавского, содержащая
пять классов массивов пород и предназначенная для туннелей и
подземных сооружений (см табл 6 2), и классы устойчивости
пород, рекомендуемые институтом ВСЕГИНГЕО (1986) для ис-
пользования при составлении карт и разрезов, которые с неболь-
шими сокращениями приведены в табл 8 2
Изучение напряженно-деформированного состояния (НДО
массивов, в которых проходятся горные выработки на месторож-
дениях, его величины, направления и режим необходимо на всех
стадиях для оценки опасности горно-геологических процессов,
показателей геомеханических свойств пород для обоснования
способов проходки и крепления выработок Имеется обширная
методическая литература по изучению НДС, опубликованная тек-
тонистами, горными инженерами, геомеханиками, инженерами-
геофизиками и инженерами-геологами, с описанием методов оп-
ределения. Направленность, конкретные вопросы, детальность и
333
334
Таблица 8.2
Характеристика классов устойчивости пород в горных выработках (рекомендации ВСЕГИНГЕО)
Классы устойчивости пород, Выход керна, % Модуль трещинова- тости, тр/м Модуль кускова- тости, ст/м RQD % Интенсив- ность сланцева- тое ти пород Прочност- ные свойства Rc, МПа Устойчивость горных пород в выработках, которые проходятся:
I — устойчивые >80 <3 <5 >40 слабая 140—110 без крепления, устойчи- вость пород сохранится в течение длительного вре- мени
II — средней устойчи- вости 80—40 3—7 5—10 40—20 средняя 110-90 без крепления, возможны отдельные вывалы по сланцеватости и в зонах тектонических нарушений
III — малой устойчи- вости 80—40 7-15 ' 10—15 20—5 высокая 90—60 с креплением в отдель- ных интервалах; породы в среднем устойчивые; бу- дут обрушения, вывалы по сланцеватости и тре- щинам, требуется креп- ление
IV — неустойчивые <40 >15 >15 <5 60—20 со сплошным креплением, иногда с опережающей инъекцией и осушением; породы неустойчивы, ин- тенсивно раздроблены, перемяты, часты обруше- ния и вывалы
методы изучения НДС различны, зависят от задач, особенностей
геологической среды и стадии. Наиболее перспективен для опре-
деления НДС на стадиях разведки и проектирования разработки
месторождения метод гидроразрыва в скважинах, широко приме-
няемый за рубежом до глубин 2000—3000 м, в сочетании с гео-
лого-структурным и геофизическим каротажем, дающим фоновую
характеристику. При наличии подземных разведочных и эксплуа-
тационных выработок появляется возможность применения в со-
четании натурных методов — сейсмоакустического, разгрузки и
компенсации.
§ 3. ИНЖЕНЕРНО(ГОРНО)-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ЯВЛЕНИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ И ОТКРЫТОЙ
РАЗРАБОТКАХ
В главе VI перечислены основные негативные инженерно (горно)-
геологические процессы при строительстве туннелей и других
подземных инженерных сооружений и охарактеризованы некото-
рые случаи. Подземные горные выработки вызывают аналогичные
процессы и явления в разных видах и величинах: горное давление
и удары, пучение (выпор), вывалы, прорывы вод, плывунов и га-
зов, суффозионные процессы при больших водопонижениях и ти-
пичное сдвижение пород над выработанным пространством с об-
разованием мульд проседания и провалов. В развитии негатив-
ных и опасных горно-геологических явлений при подземных раз-
работках месторождений имеются специфические особенности,
масштабность и интенсивность, обусловленные ' размерами под-
земных выработок, способами производства работ, длительным
глубоким водоотливом и т. п.
Сдвижение пород над подземными разработками, сопровож-
даемое возникновением провальных воронок и понижений на по-
верхности земли,—широко распространенное явление на Урале,
в Донбассе, горных районах Средней Азии, Горной Шории, Куз-
бассе; они опасны для устойчивости наземных объектов и для
эксплуатации месторождения. Изменение НДС массива вследст-
вие горных разработок, интенсивный водоотлив, прорывы в шахты
вод и плывунов, горные удары и другие явления взаимообуслов-
лены в развитии, имеют сложные связи. Одним из многих приме-
ров служит образование большого провала (площадь на поверх-
ности земли 18 000 м2) вследствие взрыва метана, проникшего
в выработки, в которых добывали калийные соли (Урал) на
глубинах около 500 м; разброс породных масс составил 500—
600 м, а уровень воды в воронке находился на глубине 60 м
(рис. 8.1).
Результаты стационарных многолетних наблюдений за сдвиже-
нием земной поверхности и пород над выработанным пространст-
вом, развитием горных ударов в выработках Таштагольского
рудника в Горный Шории, изложенные в работах А. Г. Шаман-
ской, П. В. Егорова (1973), В. А. Квочина и др. (1981), пока-
335
Рис 8 1 Провальная воронка площадью 1,2 га и с уровнем воды на 50 м, об
разевавшаяся при взрыве газа в горных выработках на глубине 500—600 м в
калийных солях
зательны для малообводненных месторождений горно-складчатых
районов Железорудные месторождения Горной Шории приуро-
чены к сложному сжатому антиклинорию с глубинными разло-
мами и другими тектоническими нарушениями, совпадающими
с общим простиранием основной складчатости. Месторождения
представлены серией крутозалегающих рудных тел непостоянной
мощности, заключенных в сиенитах и метаморфических сланцах.
Широко развиты тектонические трещины основных четырех сис-
тем, модуль трещиноватости пород 0,6—1,5 м, более крупные раз-
рывы располагаются через 40—50 м. Сиениты и железные руды
характеризуются следующими показателями свойств соответствен-
но up=4730 и 5165 м/с; Е — 72 200 и 89 300 МПа, прочность на
сжатие — 81,5 и 214 МПа, на растяжение — 9 и 20 А1Па, объем-
ная масса — 2,6 и 3,3—4,4 т/м3.
Натурные опыты (более 1200) методов разгрузки установили
на глубине 410—550 м следующие величины горизонтальных сос-
тавляющих главных напряжений ох, и <тг соответственно 120 —
150; 18—33 и 10—14 МПа. Измерения показали, что в массиве
пород действуют сжимающие напряжения, максимальное из ко-
торых ориентировано под углами 20—60° к простиранию разрывов
и с наклоном в 20—30°. Главные напряжения, определенные рас-
четом для глубины 550 м, составляют щ — 36; <Т2 — 19 и <т3 —
14 МПа, а полные а — 43 МПа Анализ многочисленных данных
показал, что горизонтальные напряжения в 1,5—3 раза превы-
шают вертикальные; в породах вблизи разрыва (5—10 м) наблю-
336
шх 7
шх 2
Рис 8 2 Зоны деформации в массивах вмещающих пород при шахтной разра-
ботке Таштагольского железорудного месторождения (по В А Квочину и др,
1981)
/ — рудное тело, зоны 2 — отработки руды, 3 — обрушения пород, 4 —
видимых трещин, 5 — развития микротрещин, 6 — максимума опорного давле-
ния, 7 — сжатия массива, 8 — сдвижения пород
дается концентрация напряжений в 2—3 раза выше, чем вне на-
рушений.
Проходка шахт и других горных выработок в сложнопостро-
енном массиве пород с неравномерным полем высоких естествен-
ных, в том числе тектонических, напряжений сопровождалась
горными ударами, образованием зон обрушения и трещин вокруг
очистных выработок и сдвижений на поверхности земли. В бе-
тонном креплении шахты 1 и в выработках (рис. 8 2) на глубинах
420, 510 м неоднократно возникали трещины и другие деформа-
ции, указывающие на формирование зоны сдвижения. Первый
горный удар незначительной силы произошел на глубине около
200 м, а крупные возникали в интервале глубин 320—390 м
в торце выработки лежачего бока рудной залежи. В последующие
годы на глубинах 400—460—530 м сильные горные удары чере-
дуются с сериями микроударов; в породах висячего и лежащего
блоков активно возникают трещины протяженностью до 100 м и
раскрытием до 70 мм, свидетельствующие о развитии в массиве
зоны сдвижения под влиянием высоких горизонтальных напряже-
ний. Анализ данных за 15-летний срок наблюдений за развитием
трещин, горных ударов и давления, а также за сдвижением по-
род и земной поверхности показывает их связь между собой,
с тектоническими структурами и неоднородным полем напряже-
ний. Маркшейдеровские измерения по реперам в квершлагах на
горизонтах +270 и +210 м (см. рис. 8.2) и на поверхности земли
установили: деформации растяжения лежачего бока пород до
337
2,84 и 2,75 мм/м на расстояние 60—80 м от границы зоны силь-
ного нарушения; образование зоны сжатия пород со стороны не-
тронутого массива; па глубинах 500—600 м напряжения могут
превышать прочность пород; учитывая их концентрацию вокруг
выработок и тектонических разломов, возникновение сильных
горных ударов связано с перемещающимися зонами сжатия, и
обнаружение потенциальных мест их образования возможно гео-
дезическими и электрометрическими измерениями.
Водопритоки в шахты. Разработка знаменитых северо-
н южноуральских месторождений бокситов существенно осложня-
ется большими водопритоками и внезапными прорывами вод из
закарстованных палеозойских известняков, усиливающимися при
формировании зоны сдвижения в надрудной толще и за счет пос-
тупления вод из аллювия и русла р. Ваграна. По мере увеличе-
ния глубины разработок с 250 до 700 м возрастали общие водо-
пригоки от 2200 м3/ч в 1943 г., 11500 м3/ч в 1963 г. до 23 000 м3/ч
в настоящее время. Водопонижение вначале было 23—30 м, затем
возросло до 150—180 м и захватило площадь свыше 100 км2.
Подземные воды в девонской карбонатной наклонно залегающей
толще разделены пачкой относительно водоупорных окремнелых
известняков с прослоями глинистых сланцев и образуют два во-
доносных комплекса с затрудненной гидравлической связью по
тектоническим трещинам. Верхний горизонт заключен в сильноза-
карстованных известняках, на которые налегают обводненные
четвертичные образования мощностью от нескольких до десятков
метров. По данным Н. И. Плотникова (1987), наибольшее число
карстовых пещер (176) располагается на глубине до 100 м, имеет
наибольшие размеры: длина 624 м, высота 4—5 м и ширина
62 м при площади 38 630 м2; максимальный объем пещер
162 тыс. м3. С глубиной размеры пещер и общая закарстован-
ность уменьшаются; на интервале 300—400 м наибольший объем
пещеры составляет 3700 м3, а на глубине 600—700 м — 2140 м3.
Общая крупная закарстованность разрабатываемой толщи оце-
нивается примерно 209 тыс. м3.
Исследованиями установлено, что в выработках при пролетах
60—90 м начинается оседание кровли, а при выработанном прост-
ранстве площадью до 180X180 м при мощности руды более
3 м формируется зона сдвижения, достигающая поверхности зем-
ли. При хаотическом разрыхлении пород в зоне сдвижения
в 1,2 раза водопроницаемость надрудной толщи увеличивается
в 100 раз и более. Образование зоны сдвижения происходит в те-
чение длительного времени; подвижки пород фиксируются мест-
ной сейсмической станцией и являются диагностическим призна-
ком. Параметры зоны непосредственного обрушения над выработ-
ками чаще составляют примерно трехкратную мощность извле-
ченного боксита и возрастает до 12 раз при увеличении его тол-
щины. Отмечено, что при отставании водопонижения от глубины
проходки горных выработок значительно возрастали водопритоки,
суффозиопные процессы и опасность прорыва вод. Специальные
338
наблюдения и исследования при подземной разработке бокситов
Урала в сложных гидрогеологических условиях и неравномерной
большой закарстованности выявили взаимосвязь между водопри-
токами, сдвижением массива над выработанным пространством,
обрушениями в кровле и опасностью внезапных прорывов вод.
Эти особенности обусловливают главные направления противо-
фильтрационных мероприятий и обязательность опережающего
осушения, в первую очередь верхнего водоносного комплекса
в сильнозакарстованных и трещиноватых карбонатных породах,
залегающих под четвертичными образованиями.
Явления при комбинированной отработке. На
многих крупных месторождениях, чаще рудных, применяется ком-
бинированная разработка — сочетание открытой и подземной.
Интересным примером является месторождение в горном районе
Северного Кавказа, где на вершине высокого гребня создается
карьер с высотами бортов 300 и 905 м и одновременно ведется
подземная отработка из шахт и штолен (рис. 8.3). Месторождение
разрабатывается давно и потребовалась капитальная реконструк-
ция всего комплекса ГОКа, при которой возникло множество гор-
ных, инженерно-геологических, строительных и других проблем.
В задачи деятельности горно-обогатительного комбината вхо-
дят: 1) реконструкция и расширение подземных разработок по-
лезного ископаемого — проходка новых шахт, штолен и других
выработок, 2) строительство карьера; 3) эксплуатация промобъ-
ектов — обогатительных фабрик, соединенных трубопроводами,
проложенными на горном склоне для переброски вниз пульпы;
4) строительство устойчивых отвалов («сухих») из карьера объ-
емом 430 млн м3 и гидроотвалов от обогатительных фабрик в объ-
еме более 500 млн м3, которые должны быть размещены на ста-
бильных территориях, не допуская их разрушения; 5) строитель-
ство и эксплуатация автодорог, соединяющих карьер, другие ос-
новные и вспомогательные объекты ГОКа; 6) строительство горо-
дов и поселков, трудно размещаемых при горном рельефе; 7) осу-
ществление мероприятий инженерной защиты городских и про-
мышленных зданий, дорог от эрозии, селевых потоков, оползней
и других негативных процессов.
Реконструкция существующего или создание нового крупного
ГОКа с разнообразными сооружениями и строительными рабо-
тами требует постадийного проектирования (ТЭО, Проект, рабо-
чая документация) с соответствующим инженерно-геологическим
обоснованием в увязке с геологической разведкой месторождения.
Кроме того, сложность природных и горно-технических условий
комбинированной разработки месторождения и обеспечение нор-
мального функционирования всех объектов ГОКа обусловливает
необходимость проведения постоянных режимных гидрогеологи-
ческих, инженерно-геологических, геодезических и маркшейдер-
ских наблюдений и дополнительных работ за состоянием и из-
менениями геологической среды, крепления подземных выработок,
отвалов, бортов карьера и других сооружений в целях своевре-
339
и
менного получения в достаточном объеме материалов для реше-
ния о степени опасности и для принятия дополнительных мер.
Следовательно, мониторинг геологической среды при строитель-
стве и эксплуатации горнодобывающих предприятий и сопутст-
вующих объектов является обязательным, и должны действовать
соответствующие службы.
Задачи инженерно-геологических изысканий на стадиях раз-
ведки месторождений, проектирования строительства и реконст-
рукции основных и вспомогательных сооружений и объектов круп-
ного ГОКа разнообразны, ответственны и должны разрешаться
с применением соответствующих методик изысканий в зависимос-
ти от особенностей геологической среды и прогноза ее изменения
при горных разработках.
На рассматриваемом горнодобывающем предприятии при рас-
ширении карьера и подземных выработок происходили крупные
и опасные горно-геологические явления, существенно осложняю-
щие проводимые работы, например: а) вследствие подработки ос-
нования создаваемого борта карьера возник оползень объемом
в несколько миллионов кубических метров из-за недоучета вы-
ветрелости и общей нарушенности скальных пород; б) непрора-
ботанность в проекте вопроса о местоположении отвалов выну-
дило строителей отсыпать горные массы из карьера в долины
малых горных речек, впадающих в основную реку; в одной такой
долине речки, точнее балки, из глинисто-обломочных отвальных
масс сформировался селевой поток, который вышел в русло ос-
новной реки, усилился и нанес ущерб нижерасположенному го-
роду; в) отсыпка отвалов в другую, более крупную балку
(рис. 8 4) приведет по мере возрастания их объемов, мощности и
обводнения к созданию реальной опасности возникновения круп-
ного осова, трансформирующегося в каменную лавину с огром-
ной кинетической энергией, с выходом и перекрытием основной
долины реки, с вероятным возникновением катастрофического
селевого потока и значительными разрушениями; г) подземная
разработка с посадкой кровли обусловила образование воронок
проседания на дне строящегося карьера. Приведенными случаями
не ограничиваются имевшие место и вероятные в дальнейшем не-
гативные и опасные горно-геологические явления; поэтому необ-
ходимы специальные наблюдения по своевременному предупреж-
дению о характере и опасности процессов, о мерах по предотвра-
щению катастрофических последствий и снижению материального
ущерба.
Рис 8 3 Схема развития карьера рудного месторождения в горном районе Се-
верного Кавказа (по материалам института Гипроникель)
Профили бортов карьера 1 — на 1986 г, 2 — на 1991 г, 3 — на 1998 г;
4 — на завершение разработки
Породы, вскрываемые карьером 5 — граниты лейкократовые, 6 — роговики био-
титовые и пироксеновые, 7 — мраморы, 8 — скарны; 9 — стволы шахт проект-
ные
341
Рис 8 4 Карьер на горной возвышенности и отвалы, отсыпаемые в прилегающую
долину притока основной реки (начальная стадия разработки)
А игре некое буроугольное месторождение в Уз-
бекистане разрабатывается в основном открытым способом (карь-
ер глубиной около 250 м, в перспективе 450—500 м), в шахтах и
методом газификации (рис 8 5) Геологическая структура место-
рождения представляет крупную, в целом пологую синклиналь
с флексурными перегибами, образованную поднятием Чаткальско-
го (на севере) и Кураминского (па юге) хребтов, в основании
которой залегают юрские бурые угли, перекрываемые юрскими
песчаниками и глинами, меловыми гравелитами и глинами, споис-
той третичной толщей глин, песков, известняков и мергелей, над
которой в пределах горного склона распространены пылеватые
суглинки (лессы), а в долине р Ахангарана — аллювиальные га-
лечники Со стороны Кураминского хребта проходит крупный
Шаугазский надвиг, четко выраженный в геоморфологии склона,
по которому поднимаются высоконапорные подземные воды, раз-
гружающиеся в русле реки, за счет которых в слоистой надуголь-
ной толще сформировались напорные водоносные горизонты с за-
трудненной гидравлической связью.
На южном нерабочем борту карьера и на прилегающей терри-
тории неоднократно возникали оползни разных объемов, образо-
ванию которых способствовали наклонное (12—15°) в сторону
карьера залегание пород и подземные воды При шахтной отра-
342
ботке углей, после посадки кровли подземных выработок, па по-
верхности горного склона возникали мульды сдвижения пород,
которые способствовали образованию локальных оползней и об-
щему увеличению водопритоков в шахту.
Рис. 8 5. Схема распространения оползней в районе Ангренского угольного ме-
сторождения и водохранилища (по Р. А Ниязову)-
1 — водохранилище; 2 — плотина; 3 — границы карьера: а — существующие,
б — на конец отработки; 4 — выгазованное пространство, 5 — ст «Подзем-
газ»; 6 — границы контрбанкета из вскрышных пород карьера, создаваемого для
стабилизации Атчинских оползней объемом 60 млн м!; 7 — водоотводный ка-
нал; 8 — засыпанное русло р. Ахангарана; 9 — действующие крупные оползни;
а —на берегу водохранилища, в лессах; б — вызванные созданием карьера;
в — в зоне подземной газификации углей, «Атчинские»; 10 — векторы движения
реперов; 11 — общие величины; в числителе — горизонтального смещения, м;
в знаменателе — вертикальных деформаций, м; 12 — Шаугазский надвиг; 13 —
площадь шахтной отработки углей
343
На состоянии горного склона и создании опасной ситуации
существенно отразилась подземная газификация углей, в неко-
торой мере усиленная беспорядочным размещением отвалов из
вскрышных пород карьера на левобережье р. Ахангарана. В пре-
делах склона выгазованное пространство к началу формирования
грандиозного Атчинского оползня (объемом до 700 млн м3) имело
площадь около 1,2 км2, что отразилось на общем состоянии мас-
сивов наклонно залегающих пород и на изменении гидрогеологи-
ческой обстановки. Производство работ по газификации углей
влияет па напряженное состояние пород склона и па локальные
изменения напоров подземных вод, так как до зажигания угля
между скважинами создаются разрывы пластов путем нагнета-
ния воды с давлением 25 атм.
В результате особенностей геологического строения и гидро-
геологических условий горного склона Кураминского хребта, сос-
тояние которого было близко к предельному, действия техноген-
ных факторов — газификации углей, создания отвалов в основа-
нии склона и некоторых других — на площади около 8 км2 обра-
зовался упоминаемый выше Атчинский оползень мощностью до
100—130 м, в первые годы с неравномерными интенсивными под-
вижками в 1—1,5 и даже 2 м в год, при значительных колеба-
ниях уровней напорных вод и порового давления. В начальный
этап активных подвижек оползня (1973—1974 гг.) на склоне об-
разовались многочисленные трещины разрыва, а на правом тер-
расовом берегу р. Ахангарана, на территории поселка (около
14 тыс. жителей), возникло два вала выпирания высотой до
1,5—2 м; более 10 домов было значительно повреждено, возникла
опасность для остальных зданий и необходимость их переноса
в условиях движущегося оползня. Кроме того, оползень мог пере-
крыть русло Ахангарана, создать временное озеро с угрозой
затопления близрасположенного карьера.
В таких сложных инженерно-геологических, гидрогеологичес-
ких и горнотехнических условиях главной являлась задача ста-
билизации горного склона с уникальным оползнем, для решения
которой были необходимы комплексные исследования для обос-
нования мероприятий инженерной защиты, их проектирование и
осуществление. Под руководством Экспертного совета, созданного
правительством Узбекской республики, такие работы были выпол-
нены многими организациями, в том числе Узбекгидрогеологией.
Началось строительство контрбанкета в русле и на правом берегу
р. Ахангарана объемом свыше 60 млн м3 за счет вскрышных по-
род карьера и водоотводного канала (рис. 8.6). Возникли труд-
ности с решением вопросов дренирования, снижения взвешиваю-
щих напоров подземных вод, залегающих под массивом и в мас-
сиве движущегося, расширяющегося по площади оползня. Углуб-
ление западного борта и приближение карьера к Атчинскому
оползню оказали дренирующее влияние на напорные воды; по-
требовались специальные гидрогеологические наблюдения за их
уровенным режимом и эффективностью водопонижения на ополз-
344
Рис. 8 6. Влияние контрфорса, создаваемого из вскрышных пород карьера, на
стабилизацию Атчинских оползней (по Р. А. Ниязову):
1 — поровое давление в метрах водного столба; 2 — суммарное смещение
оползня, м; 3 — скорость движения оползня, м/год; 4 — объем отсыпаемого
контрфорса, млн м3; 5 — объем пород, отсыпаемых в русло реки, млн м3
невые подвижки. Из графиков (см. рис. 8.6) видно, что после
активных движений оползня в 1974—1979 гг. и отсыпки масс
контрфорса в русло реки, когда его объем приблизился к 25—
30 млн м3, началось заметное уменьшение подвижек и практичес-
кое их затухание в 1986 г., при объеме контрфорса около
60 млн м3 и усилении дренирующего влияния карьера на напор-
ные воды. Специально организованные сейсмические наблюдения
показали, что многочисленные малые землетрясения (до 4-х бал-
лов) на движение оползня влияния не оказывают, а одно земле-
трясение силой 5—6 баллов отразилось в незначительной вре-
менной его активизации.
Газификация углей, разработка в карьерах и шахте не преры-
вались в период строительства отводного канала и контрфорса,
но потребовались комплексные наблюдения по продуманной и
научно обоснованной программе за основными изменяющимися
компонентами геологической среды, включая воздействие земле-
трясений, за различными видами отработки месторождения и
345
другими горнотехническими факторами, т. е. по широкому кругу
вопросов геомоииторинга строительства и эксплуатации горнодо-
бывающих предприятий.
Оползни на бортах карьеров. Главными инженерно-
геологическими задачами при открытых разработках месторож-
дений являются изучение и оценка устойчивости бортов карьеров,
возникновения на них оползней, обвалов, осыпей и размывов
в условиях измененного режима и дренирования подземных вод,
разуплотнения и выветривания пород их слагающих. Многообраз-
ны типы и объемы оползневых деформаций на бортах карьеров,
вскрывающих разные литологические комплексы; они зависят от
состояния, свойств и обводненности пород, высоты и крутизны
борта, скорости и способов проходки и других горнотехнических
факторов. Оползни бортов карьеров описаны в многочисленных
монографиях, учебниках и статьях Г. Л. Фисенко, И. П. Иванова,
В. Д. Ломтадзе, Ю. М. Малющицкого, К. Зарубы, Г. Г. Сквор-
цова и др. Наиболее крупные оползни типичны для глубоких
карьеров угольных месторождений, породы которых разнородны,
трещиноваты, чаще сильно обводненны и не обладают высокой
прочностью.
Особенно крупные оползни произошли при открытой разра-
ботке месторождений лигнитов «Марица-восток» в Болгарии. Мес-
торождение сформировалось в глубоких (до 500 м) плиоценовых
тектонических котлованах, характерных для Болгарии и всего
Балканского полуострова. Угленосная толща в виде трех слоев
общей мощностью до 40 м залегает на черных и серо-зеленых
озерных глинах и перекрыта аллювиально-озерными литологиче-
ски разнообразными фациально-изменчивыми плиоценовыми отло-
жениями (пестрые глины, пески, рыхлые песчаники, мергели) и чет-
вертичными суглинистыми образованиями, в которых создаются
борта карьеров. Ниже толщи лигнитов и серо-зеленых глин в по-
гребенных речных долинах залегают песчано-галечниковые плиоце-
новые аллювиально-пролювиальные образования, содержащие вы-
соконапорные воды, которые в понижениях рельефа образуют
«грязевые вулканы». В надлигнитной толще содержатся грунто-
вые и локально-напорные воды. Черные и серо-зеленые глины
характеризуются малой плотностью (А=1,50 4-1,70), низкой проч-
ностью (ф=5—6° и С=0,01—0,02 МПа), естественной влажностью
до 50—70%, что определяет потенциальную неустойчивость бор-
тов и разрезных траншей карьера, возможность возникновения
оползней выдавливания.
И. П. Иванов (1987) приводит данные обследования Г. Л. Фи-
сенко одного из подобных оползней объемом более 50 млн м3,
происшедшего в январе 1966 г. на пологом борту при глубине
карьера около 55 м. Поверхность смещения была близка к гори-
зонтальной (а=2—3°) и приурочена к слою глин с высокой влаж-
ностью; некоторым дополнительным фактором явилась пригрузка
поверхности за бровкой борта карьера. Оползни аналогичного
типа, но меньших объемов, возникали на откосах разрезных тран-
346
шей и уступах берм Для района месторождения «Марица-восток»
характерно развитие активных оползней на склонах крутизной
12—16° в долине реки, прорезающей надлигнитную толщу плио-
ценовых отложений. Данные о состоянии природных склонов раз-
ной крутизны и высоты района месторождения могут быть пока-
зателями при определении предельных значений для генеральных
бортов карьера, различные водопроявления указывают на опас-
ность прорыва напорных вод, что оправдывается на примере
района «Марица-восток»
В работах Г Л Фисенко и др. (1965, 1974, 1986) описаны
различные виды деформаций бортов карьера, откосов уступов и
отвалов, приводятся принципиальные схемы и приемы расчетов
устойчивости, а также мероприятия по стабилизации. На многих
высоких отвалах, отсыпаемых на глинистые грунты с невысокой
прочностью, происходят образования бугров выдавливания впере-
ди фронта отвала Например, в карьере Экибастузуголь при мощ-
ности отвала 30—40 м на расстоянии —160 м возникло три вала
выпора высотой 3—5 м, которые при возрастании давления могут
трансформироваться в типичный оползень выдавливания с очень
пологой поверхностью смещения.
Характерными деформациями уступов на бортах карьера яв-
ляются выветривание слагающих их пород и осыпание щебнис-
того материала на бермы, осложняющие их транспортное исполь-
зование и снижающие общую устойчивость. Исследования
С. В. Кагермазовой в Бачатском карьере, вскрывшем литифици-
рованные терригенные породы — алевролиты, аргиллиты и пес-
чаники, показали значительную интенсивность процессов выветри-
вания, осыпания и отступания бровок уступов берм: до 5—7 м за
8 лет при высоте 14—15 м (рис. 8.7).
Приведенные выше некоторые случаи не охватывают всего
многообразия и сложности инженерно-геологических явлений при
открытых и подземных разработках месторождений твердых по-
лезных ископаемых с разнообразными геологическими и гидро-
геологическими условиями и при различном влиянии горнотехни-
ческих факторов. Эти примеры показывают, что оползни разных
Рис. 8 7. Изменение профилей уступов берм на бортах Бачатского карьера при
выветривании и осыпании алевролитов, аргиллитов и песчаников (по С В Ка-
гермазовой)
347
типов и объемов и другие деформации на бортах карьеров и
в отвалах, сдвижения пород над выработанным пространством,
горные удары, системы водопонижений, влияющие на состояние
осушаемых массивов и на возникновение негативных факторов,
определяют необходимость:
— своевременно, на стадиях разведки и проектирования, по
единой программе осуществлять комплексные гидрогеологические
и инженерно-геологические исследования на месторождениях по-
лезных ископаемых;
— при оценке современной геологической среды месторожде-
ния, прогнозе ее изменения, возникающих негативных и опасных
процессов, обосновании системы защитных мероприятий приме-
нять в сочетании методы физического и математического модели-
рования, сравнительного геологического анализа, имея в виду,
что достоверность результатов в основном обусловливается реаль-
ностью инженерно-геологических моделей строения и процессов,
геомеханических (расчетных) схем и обоснованностью исходных
параметров пород;
— с начала строительства горнодобывающих выработок и
предприятий по открытой и подземной разработке месторождений,
а в дальнейшем при их эксплуатации, организовывать специаль-
ную комплексную службу по системе геомониторинга в целях уточ-
нения оценок и прогнозов, которые являются всегда приближен-
ными из-за сложности геологической среды и способов отработки
месторождения.
§ 4. ВОПРОСЫ И СОДЕРЖАНИЕ
ИССЛЕДОВАНИЙ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ
И ОБЪЕКТАХ
Многообразие геологических сред, содержащих месторождения
полезных ископаемых, разнообразие их видов, глубин залегания,
способов отработки, обеспечение инженерных защитных меро-
приятий и вопросы охраны окружающей природы определяют
большую сложность и ответственность комплексных гидрогеоло-
гических, инженерно-геологических и геокриологических исследо-
ваний на разных стадиях. Соблюдение основных принципов ис-
следований— цели, оптимума, координированности работ и др.—
особенно необходимо, учитывая сложные задачи изучения место-
рождений твердых полезных ископаемых. Опубликованы различ-
ные методические руководства, рекомендации и инструкции по
изучению гидрогеологических и инженерно-геологических условий
месторождений, подготовленные исходя из требований ГКЗ СССР,
институтом ВСЕГИНГЕО (1975, 1977, 1982, 1986), ВНИИ горной
механики и маркшейдерского дела (1986), институтом ВИОГЕМ
и другими отраслевыми ведомствами.
Задачи, виды и объемы инженерно-геологических и гидрогео-
логических работ при соблюдении единых главных принципов
исследований будут различными в зависимости от особенностей
геологической среды, глубины залегания и характера полезного
348
ископаемого: железорудные и угольные, занимающие значитель-
ные пространства; рудные жильные со своеобразными условиями
распространения; рудные в мощных корах выветривания; плас-
товые соленосные и нерудные — стройматериалы. Важной осо-
бенностью гидрогеологического и инженерно-геологического изу-
чения месторождений полезных ископаемых является обязатель-
ное требование его совмещения с геологической разведкой место-
рождения, с извлечением максимума специальных данных при
бурении разведочных скважин, проведении каротажных и других
работ. Вариантное рассмотрение размещения и переноса сооруже-
ний, их конструкций, методов производства строительных работ и
защитных мероприятий на основе анализа инженерно-геологичес-
ких условий, обязательное при проектировании крупных сооруже-
ний, приобретает специфические особенности при изучении место-
рождений полезных ископаемых. Их пространственное положение
в геологической среде предопределено. Задача состоит не в выяв-
лении мест для рационального расположения сооружений, как
в случаях другого строительства, а в обосновании технико-эко-
номической эффективности вариантов способов отработки место-
рождения с обеспечением Охраны окружающей среды, рекульти-
вации территории, техники безопасности и других требований ве-
дения горных работ. Серьезные трудности возникают при иссле-
дованиях гидрогеологических и инженерно-геологических условий
глубокозалегающих месторождений при прогнозных оценках
устойчивости различных открытых и подземных выработок, опре-
делении типов их крепления, параметров целиков и т. п. Нередко*
в процессе эксплуатации возникает необходимость расширения
площадей разработки, вовлечения пород с меньшим содержанием
полезного ископаемого, ранее оставленного за пределами балан-
совых запасов. Все это требует дополнительных комплексных ис-
следований, выполнения инженерно-геологической и другими
службами разнообразных наблюдений при отработке месторожде-
ний подземным или открытым способами.
Общая схема и содержание гидрогеологических и инженерно-
геологических исследований на разных стадиях геологоразведоч-
ных работ и эксплуатации месторождений для наглядности пред-
ставлена в табл. 8.3. Представляется целесообразным сочетать
в едином постадийном комплексе геологоразведочные работы по-
изучению собственно месторождений и специальные инженерно-
геологические, гидрогеологические и геокриологические исследо-
вания для обоснования проектных решений по эффективной раз-
работке полезного ископаемого, включая обеспечение водопони-
жений и различные мероприятия горнотехнической защиты, а
также проектирование других объектов ГОКа. Оно труднодости-
жимо, требует четкой организации работ, выполняемых разными
ведомствами. Декларируемое в рекомендациях и инструкциях
требование, чтобы на стадии предварительной разведки были бы
получены инженерно-геологические и гидрогеологические данные,.
349
350
Таблица 8.3
Задачи и содержание иижеиерио-геологическйх исследований иа Месторождениях твердых полезных ископаемых
Стадии геолого- разведочных работ Стадии проектирования 6 « ф Сь J3 « н о v л О о X <У £ 3* о ®* ч о а о ч ч Месторождения н детальность комплексных исследо- ваний, характеризуемая масштабами карт отчета**
разработки основного месторождения <сухих> н ГИДРО' отвалов угольные железо- рудные рудные жильные <у х • № д соленос- ные плас- товые нерудные 1 (стройма- । териалы)
Поиски в инженерио-геологич. картирование м-б 1:50 000
с то же, м-б 1:100000
п
Предварительная разведка; ТЭО кон- диций месторожде- ния; обоснование дальнейшей раз- ведки основные положения ТЭО в вари- антах открытой и подземной разра- боток месторождения с ориентиро- вочной оценкой горно-технических экономических и социально-экологи- ческих факторов схема размещения отвалов на основе инженерно-геологи- ческого картирова- ния м-б 1:25 000 — 1:10 000 в 1:10 000 1:5000 1:10000
с 1:2 500 ItlOOOO 1:25000
п
Детальная развед- ка; доразведка мес- торождения уточнение (завершение) ТЭО раз- работки месторождения; составле- ние по материалам георазведки и специальных комплексных изыска- ний; проехта подземной или откры- той разработки месторождения; ра- бочей документации ТЭО размещения отвалов; оценка ус- тойчивости отвалов и территорий; ТЭО дренажных и дру- гих мероприятий в Г.2 000 1:1000 1:2 000 1:5000
с 1:5 000 1:2 000 1:5000 1:10 000
п
Эксплуатационная разведка; уточне- ние запасов; «руд- ничная геология», геологическая служ- ба на рудниках уточнение иа основе данных геомо- ниторинга, комплексных наблюде- ний и исследований проектов и раб. документации: технологии про- ходки, укрепл. выработок и бортов карьера; длительной системы осу- шения; контроль за реализацией до- поли. мер по обеспечению эффек- тивной отработки и техники безо- пасности горных работ составление проек- тов и рабочей до- кументации и реа- лизация мер по ста- билизации отвалов и инженерной за- щите на основе спец, наблюдений за состоянием грун- тов отвалов в 1:2 000 1:1 000 1:1 000 1:5000
с 1:2 000—1:5000 в зависимости от характера горно-геологического явления и степени их опасности
п
Продолжение табл. 8.3
Стадии геолого-разведочных работ Стадии проектирования объектов ГОКа н детальность нижеиерно-геологического обоснования (масштаб карт отчета**)
предприятия город, жилые поселки авто- н железные дороги внутренние инженерная защита от ОГП
Поиски ТЭО и проекты районной планировки и застройки пром- и градостроитель- ных комплексов и прилегающих территорий на основе инженерно-геологи- ческих карт м-б 1:100 000—1:50 000 генеральная схема инже- нерной защиты террито- рии и сооружений от ОГП
Предварительная развед- ка; ТЭО кондиций место- рождения; обоснование дальнейшей разведки ТЭО генпланов планировки и застройки детальные схемы инженер- ной защиты от ОГП и инженерной подготовки по отдельным объектам ГОКа
1:5 000 1:5 000 1:10 000
1:10 000 1:10000 1:25 000
1:25000 1:25 000
Детальная разведка; до- разведка месторождения проекты генеральных и детальных планов застройки территории промобъек- тов, города и транспортных связей ТЭО инж. защиты терри- тории и проектов защиты сооружений ГОКа от ОГП 1:2 000—1:5 000
1:2 000 1-2 000 1:5 000
1:5 000 1:5 000 1:10 000 1:5 000
Эксплуатационная раз- ведка; уточнение запасе®; «рудничная геология», геологическая служба на рудниках о» инженерно-геологическая служба (геомониторинг)—выполнение обзорных и инструментальных наблюдений (при необходимости разведочных работ) за: состоянием территории и сооружений; эффективностью защиты; последствия- ми стихийных природных процессов; влиянием техногенных факторов и их активизацией составление и реализация проектов и дополнитель- ных инженерных меро- приятий
* Сложность геологической среды районов месторождений и прилегающих: В—особо сложная; С—средней сложности и П—простые условия. * * Под‘картами, включая разрезы, подразумеваются материалы, обобщающие результаты комп- лексных изысканий детальности, соответствующей масштабу карт.
достаточные для составления в полном объеме ТЭО, а на стадии
детальной разведки — для составления Проекта отработки место-
рождения, малореально и не всегда целесообразно. Когда деталь-
но не изучены запасы и качество полезного ископаемого, не при-
нята система отработки месторождения и рекультивации терри-
тории, не определены характер и размещение объектов ГОКа и
не решены социально-экономические вопросы, нет возможности
достоверно оценить технические и экономические критерии эффек-
тивности месторождения. Вероятно, достаточно на материалах
стадии предварительной разведки составить принципиальные (ос-
новные) положения ТЭО разработки месторождения, содержащие
предварительные, но обоснованные решения о выборе способа
отработки, защитных мероприятий, схем размещения отвалов и
различных объектов ГОКа. Подобная постановка вопроса обусло-
вит более целеустремленное выполнение инженерно-геологических
и гидрогеологических изысканий в наименьших объемах на ста-
диях ТЭО и Проекта разработки месторождения. Следует учесть,
что для инженерно-геологического обоснования даже главных по-
ложений ТЭО потребуется проведение специальных съемочных,
разведочных и специальных работ помимо наблюдений, которые
возможно выполнить в геологоразведочных выработках. Принцип
максимального сочетания основных геологоразведочных и специ-
альных работ прогрессивен и должен соблюдаться.
Разнообразие геологической обстановки, видов полезных ис-
копаемых и горнотехнических факторов создает немалые труд-
ности для рациональной постановки на всех стадиях инженерно-
геологических и гидрогеологических работ, выбора их и методов
проведения, что обусловливает целесообразность периодического
рассмотрения получаемых результатов, уточнение основных гипо-
тез и программ исследований. Конкретные вопросы работы и де-
тальность инженерно-геологических изысканий на разных стадиях
для месторождений шести типов (см. выше), в которых отражены
комплексы пород, структурные и иные признаки, значительно раз-
личаются для основных групп полезных ископаемых: уголь, ме-
таллы, соли, стройматериалы и др. Кратко рассмотрим основные
методические положения.
На стадии поисковых геологосъемочных работ, в результате
которых выявляются перспективные районы с различными место-
рождениями полезных ископаемых, должна быть дана целенап-
равленная региональная характеристика гидрогеологических и
инженерно-геологических условий. Применительно к типам место-
рождений и виду полезного ископаемого выполняется райониро-
вание территории, ка!< правило, на основе имеющихся материалов,
данных поисковых работ, дополненных маршрутным специальным
картированием, и обобщения опыта изучения аналогичных место-
рождений.
Территории, прилегающие к основным месторождениям, на
которых возможно размещение отвалов, промпредприятий, дорог,
жилых поселков и других объектов ГОКа, подвергаются инже-
352
нерно-геологическому обследованию на уровне требований Про-
екта районных планировок промузлов и градостроительства (см.
гл IV). В зависимости от сложности геологической среды, рель-
ефа, вида и залегания полезного ископаемого дополнительное
маршрутное инженерно-геологическое картирование с применени-
ем геофизических методов исследований рекомендуется выполнять
в масштабах 1 100 000 — 1 ’50 000 с детализацией на типичных
участках до 1 25 000 — 1 10 000.
Стадия предварительной геологоразведки месторождения. Если
исходить из требования о гидрогеологическом и инженерно-геоло-
гическом, а при необходимости и геокриологическом обосновани-
ях принципиальных решений ТЭО отработки месторождения, об
ориентировочном размещении отвалов, объектов ГОКа, рекульти-
вации и инженерной защиты территории, то необходимы’
— гидрогеологические и инженерно-геологические наблюдения,
опробование и применение комплексного геофизического карота-
жа, как в основных геологоразведочных скважинах, так и в опор-
ных скважинах специального назначения (вероятно других диа-
метров и режимов бурения), которые предназначены для прове-
дения в них детального опробования на кернах геомеханических
и других свойств пород, напряженного и температурного состоя-
ний массива и других экспериментов;
— гидрогеологическое и инженерно-геологическое картирова-
ние территории месторождения и прилегающего района, целенап-
равленное для выявления важных для обоснования поставленных
задач, основных особенностей строения и неотектонических дви-
жений, микросейсмическпх условий, закономерностей формирова-
ния, распространения, движения и количественных характеристик
подземных вод, экзогенных геологических процессов, роли при-
родных и техногенных факторов в их развитии, современного со-
стояния территории и сооружений на ней расположенных; де-
тальность картирования обусловлена ранее названными фактора-
ми, в зависимости от которых она осуществляется в масштабах
1 : 10 000—1 5000 на участках месторождений, на возможных
площадях объектов ГОКа и прилегающих в масштабах
1.25 000—1 10 000 для обоснования ТЭО генеральных планов
планировки и застройки (реконструкции) территории и схем ее
инженерной защиты;
— создание сети для наблюдений за режимом’ а) подземных
вод и обводненности территории по опорным скважинам и родни-
кам и б) современных геологических и инженерно-геологических
процессов и факторов, их обусловливающих, — метеогидрологи-
ческих, горнотехнических и других техногенных; при обосновании
проектов реконструкции разработки месторождения и объектов
ГОКа обязательно детальное обобщение данных наблюдений
геолого-маркшейдерской службы на открытых и подземных раз-
работках и организация дополнительных режимных исследований
по изучению опасных горно-гсологических процессов, прорывов и
притоков подземных вод и факторов, их обусловивших.
353
В программах комплексных исследований на новых месторож-
дениях и при реконструкциях ГОКа должно быть предусмотрено
полноценное решение главного вопроса — обоснование выбора
наиболее эффективного способа отработки полезного ископаемо-
го — открытой, подземной и комбинированной, с надежным обес-
печением безопасной технологии горных работ. Этой задаче не-
обходимо подчинить все виды и средства изыскательских работ;
сложность ее требует от руководителей инженера-геолога и гид-
рогеолога широкого подхода, эрудиции, общегеологических и спе-
циальных знаний, разработки рабочих геологических гипотез,
прогрессивного мышления и обоснованного отказа от стандартных
рекомендаций, которые не могут охватить все разнообразие гео-
логической среды и технических средств горного дела. В ТЭО
при определении принципиальных положений разработки место-
рождения должны быть экономические показатели — стоимость
добычи тонны (кубометра) полезного ископаемого, на которую
также влияют затраты на социально-экологические мероприятия
(охрана природы, рекультивация территории и т. п.), на строи-
тельство (или реконструкцию) различных объектов ГОКа и на
инженерную защиту от опасных геологических и метеогидро-
логических процессов. Следовательно, на стадии предварительной
геологоразведки месторождения необходимо проведение специаль-
ных инженерно-геологических изысканий для обоснования проект-
ных решений с детальностью проработок на уровне схем для раз-
ных объектов ГОКа. Стадия ТЭО проектирования горнодобываю-
щего комплекса весьма ответственна для решения проблем эф-
фективности разработки месторождений, й поэтому инженерно-
геологические и гидрогеологические исследования должны быть
обстоятельными, достаточными для надежного обоснования ТЭО
и по аналогии с другими объектами крупного строительства
должны составлять примерно до 40—50% общего объема изыска-
тельских работ.
Стадия детальной геологоразведки месторождения. Инженер-
но-геологические и гидрогеологические изыскания на этой стадии
проводятся, когда принципиально установлены техническая и эко-
номическая целесообразность разработки месторождения и его>
основной метод — подземный, открытый или комбинированный.
Поэтому главной задачей изысканий является инженерно-геоло-
гическое обоснование проекта разработки выбранным способом,
включая прогноз негативных горно-геологических процессов, ко-
торые созникнут при проходке и добыче ископаемого из шахтных
Выработок или в карьерах, и мероприятия по их управлению и
обеспечению безопасности ведения горных работ. Одновременно»
должны проводиться специализированные инженерно-геологичес-
кие изыскания для проектирования объектов ГОКа на уровне
проектов генеральных и детальных планов планировки и застрой-
ки территории промпредприятий, города (поселка) и дорожных
коммуникаций с разработкой ТЭО водоснабжения ГОКа и его»
354
инженерной защиты от опасных геологических и метеогидрологи-
ческих процессов.
Общая методология изысканий на этой стадии сохраняется,
как и па предыдущей: максимальное использование выработок и
данных по георазведке, структурному изучению месторождения
с проведением дополнительных наблюдений и каротажных работ,
а также специальных гидрогеологических, инженерно-геологичес-
ких и при необходимости геокриологических исследований. Их
выполнение должно исходить из выявленных особенностей геоло-
гической среды и принятых систем горных работ в соответствии
с техническим заданием генеральной проектной организации, при
постоянном обсуждении результатов, уточнении программ, при
совместной с горными инженерами оценке инженерно-геологичес-
ких условий и принятии рекомендаций по принципиальным реше-
ниям проектирования. На рассматриваемой стадии сохраняются
четыре группы взаимообусловленных главных задач комплексных
исследований 1) детальное инженерно-геологическое изучение
свойств, состояния и поведения массивов пород полезного иско-
паемого и вмещающих пород, с прогнозом и обоснованием защи-
ты от негативных горно-геологических процессов; 2) гидрогеоло-
гическое изучение месторождения и детальное обоснование сис-
темы его осушения, а также оценка влияния подземных вод на
состояние массивов пород; 3) окончательный выбор устойчивых
площадей для отвалов, их параметров, технологии укладки и
обоснование инженерных мероприятий по стабилизации; 4) инже-
нерш'-геологическое обоснование проектирования разных объек-
тов Г ОКа.
Для решения задач первых двух групп необходимо детальное
фапнально-литологическое расчленение массивов пород месторож-
дения, изучение складчатых и разрывных тектонических струк-
тур и трещиноватости, инженерно-геологическая типизация мас-
сивов пород на разных уровнях, обосновывающая оценку их гео-
механических и геофильтрационных свойств и напряженного сос-
тояния. В зависимости от сложности геологического строения и
рельефа района месторождения, глубины и особенностей его за-
легания выполняется комплексное картирование в масштабах
1:5000 — 1:1000 на основе данных буровой, горной и геофизи-
ческой разведок, натурного описания территории, использования
аэро- и фототеодолитных снимков, анализа современной тектони-
ческой подвижности, сейсмичности и геоморфологии. По геоло-
горазведочным скважинам и специальным инженерно-геологиче-
ским выработкам возможно подробнее характеризуются петро-
графический состав, трещиноватость, выветрелость, закарстован-
ность, обводненность и иные особенности пород по их облику,
сохранности в кернах и разрушению при извлечении на основе
поинтервального гидравлического опробования (откачки, нагне-
тания), сейсмоакустического, электроразведочного и другого ка-
ротажа. По возможности выполняется фотосъемка стенок сква-
жин малогабаритной стереофотокамерой, дающая эффективную
355
документацию трещиноватости пород, высачиванию вод и т. п.
(см. гл. II).
Гидрогеологические условия месторождения требуют особого
внимания при их изучении на стадии детальной разведки и
проекта отработки месторождения, так как они определяют сов-
местно с горно-технологическими факторами системы осушения
шахтных выработок и карьеров, предотвращающих опасные про-
рывы вод, плывунов, вывалы и иные деформации пород, устойчи-
вость бортов карьера и откосов выемок. Достоверное изучение
пьезометрических уровней подземных вод в разных частях масси-
ва и на разных глубинах, их состава и режима, гидравлической
связи между отдельными горизонтами обеспечивается особой
технологией бурения скважин, дополнительными наблюдениями и
поинтервальными измерениями с помощью двойных тампонов.
I идрогеологические наблюдения требуют тщательности выполне-
ния, которое не всегда возможно в геологоразведочных скважи-
нах при тенденциях увеличения скоростей проходки без отбора
кернов; поэтому обязательно бурение специальных гидрогеоло-
гических скважин.
Водопритоки и прорывы вод в шахты и карьеры должны прог-
нозироваться по месту их проявления и ориентировочным расхо-
дам, что требует выполнения специальных опытных гидрогеологи-
ческих работ (кустовых и других откачек) по схемам в зависи-
мости от особенностей геологического строения и проектируемых
систем водопонижения. При проведении натурных опытных гидро-
геологических работ обязательны наблюдения за суффозионной
устойчивостью пород при разных гидравлических градиентах по-
токов.
Для обоснованных количественных оценок водопритоков в под-
земные выработки и карьеры, эффективности систем водопониже-
ний целесообразны воднобалансовые расчеты, которые основыва-
ются на данных режимных наблюдений за уровнями подземных
вод в разных горизонтах, их гидравлической связью, на резуль-
татах математического и экспериментального моделирования. Эти
вопросы следует предусматривать в программах исследований
в объемах в зависимости от сложности гидрогеологических усло-
вий месторождения.
Не менее разнообразны и важны инженерно-геологические и
горно-геомеханические задачи на стадии Проекта отработки мес-
торождений подземным способом и в карьерах. Изучение таких
геомеханических характеристик, как деформируемость, сопротив-
ление сдвигу, сжатию и разрыву при разных нагрузках, разрых-
ляемость, размываемость, газо- и водопроницаемость, напряжен-
ное состояние массива пород, должно осуществляться на данной
стадии несколькими методами, но обязательно натурными опыта-
ми с учетом реальных природных условий. Как известно, показа-
тели деформируемости, прочности, проницаемости и других
свойств пород разных типов существенно зависят как от величин
естественных напряжений, под которыми находятся породы
356
в природной обстановке, а они могут быть значительными, так и
от степени их литологического состава, гетерогенности, трещино-
ватости, выветрелости и обводненности. Изучение физико-механи-
ческих свойств лабораторными методами на кернах и монолитах
в значительных объемах проводится преимущественно в класси-
фикационных целях, а натурные испытания — штампами разной
конструкции с монолитами большого размера для учета масштаб-
ного эффекта. Сейсмо- и электроразведочные определения ско-
ростей продольных волн и электросопротивления тех же пород
в скважинах и выработках должны выполняться для целей корре-
ляции на основных опорных разрезах. Среди различных способов
определения модуля деформации заслуживают внимания методи-
ка и установка «гидравлический диск», предложенные Бр. Ку-
юнджичем (1977) и позволяющие проводить разнонаправленные
испытания при высоких давлениях с вовлечением большого объ-
ема пород. Для выбора типа и расчета крепления подземных
выработок для тех же характерных потенциально неустойчивых
массивов пород натурными опытами определяют коэффициент
бокового отпора пород и развитие величин давлений по пери-
метру крепи. Эти испытания трудоемки, к выбору места их
проведения и особенно к количеству необходим подход, аналогич-
ный тому, который рекомендуется осуществлять при изучении
геомеханических свойств пород при подземных сооружениях (см.
гл. VI). Все натурные крупномасштабные опыты обязательно соп-
ровождаются сейсморазведочными испытаниями в целях корреля-
ции с лабораторными данными и распространения результатов на
большие массивы пород.
Определение сопротивления сдвигу неоднородных трещинова-
тых пород разного литологического состава, степени увлажнения,
выветрелости и напряженности, с учетом изменения во времени
этого показателя при вскрытии, является одной из главных задач
геомеханических исследований для обоснования проекта отработ-
ки месторождения открытым способом. Изменяющиеся показатели
прочности необходимы для оценки устойчивости бортов и откосов
карьера на основе расчетов инженерными и численными методами
и физического моделирования с эквивалентными материалами.
Особое значение приобретает изучение пород месторождений I и
V типов с угольными песчано-глинистыми и другими толщами,
с грунтами невысокой прочности и зонами ослабления.
Испытания на сдвиг неоднородных пород, оценка прочности по
трещинам и иным контактам с воспроизведением предполагаемого
вида деформаций целесообразно выполнять на монолитах боль-
шого сечения площадью 0,5—1 м2 и более, сочетая их с лабора-
торными опытами по той же схеме. В случаях глубины карьера
40—50 м и более возникают трудности с созданием в приборах
напряжений, соответствующих природным, при которых находятся
породы и будут деформироваться в бортах и дне карьеров. Слож-
ность оценки устойчивости высоких бортов карьеров неоднород-
ного строения обязывает при проведении детального инженерно-
357
геологического картирования района месторождения и смежных
типизировать природные склоны разного состояния, крутизны,
высоты и стадии формирования. Эти данные надо использовать
как натурные критерии устойчивости прогнозируемых бортов.
При выявлении недавних оползней обязательны «обратные рас-
четы» по нескольким схемам определения среднего сопротивления
сдвигу смещенных пород, которые нужны для расчетов устойчи-
вости проектируемых бортов карьера с аналогичными условиями.
Рекомендации по изучению инженерно-геологических условий
территорий карьеров с угольными и рудными месторождениями
изложены в работах Г. А. Фисенко, Т. К- Пустовойтовой,
С. В. Кагермазовой (1986), института ВСЕГИНГЕО (1977, 1982,
1986), в учебниках И. П. Иванова (1987) и В. Д. Ломтадзе
(1986).
Трудной, но обязательной задачей исследований на стадии
Проекта подземной и открытой разработки месторождений с глу-
биной залегания примерно 100 м и более, особенно в районах
с интенсивной неотектоникой, является изучение полей естествен-
ных напряжений. Направления и величины главных, вертикаль-
ных и горизонтальных напряжений необходимы для наиболее ра-
ционального размещения подземных выработок, обоснования тех-
нологии их проходки и крепления. Используя натурные геомеха-
нические методы разгрузки и компенсации, геофизические в раз-
ведочных горных выработках, а при глубокозалегающих место-
рождениях методы «гидроразрыва» и сейсмоакустические, опре-
деляют показатели суммарного поля напряжений массива пород.
Разделение их на составляющие, в частности обособление текто-
нической, возможно на основе физического и математического мо-
делирования путем подбора, что, например, было выполнено
Э. В. Калининым и Ю. А. Мамаевым для подземных сооружений
Рогунской ГЭС.
Геофизические методы определения естественных напряжений
привлекательны относительно малой трудоемкостью и вовлече-
нием в испытание значительного объема пород, но результаты
являются ориентировочными. Поэтому сочетание натурных геоме-
ханических и геофизических экспериментов с физическим и ме-
ханическим моделированием перспективно, получаются наиболее
достоверные данные, так как имеется возможность их анализа и
взаимного корректирования.
Инженерно-геологическое и иное обоснование проекта разра-
ботки месторождения открытым и подземным способом, установ-
ленным на предыдущей стадии проектирования — ТЭО, при на-
личии особых природных условий — высокой сейсмичности, ак-
тивных подвижек по разломам и многолетней мерзлоты — требу-
ют дополнительного их изучения и оценки с применением соответ-
ствующих методов (см. гл. II и инструкции). Вопросы сейсмич-
ности важны для оценки их влияния на состояние наземных со-
оружений шахт и особенно на устойчивость бортов глубоких карь-
еров в условиях повышенного обводнения. Знание распределения
358
и величин положительных и отрицательных температур необхо-
димо для оценки их роли в напряженном состоянии массивов
пород, для проектирования вентиляционных систем, создания
нормальных условий отработки полезного ископаемого и для
прогноза деформации пород в подземных выработках при их от-
таивании в случаях значительного перепада температур.
Для проектирования рациональной технологии разработки
месторождения необходимы данные по разрыхляемости (разру-
шению) горных пород в забоях подземных и открытых выработок
и в бортах карьера при воздействии разных взрывов, работы
экскаваторов, гидромеханизации и т. п. Для получения этих дан-
ных проводятся натурные крупномасштабные эксперименты при
ведущей роли горного инженера и участии инженера-геолога.
При комплексных изысканиях на стадии Проекта особое вни-
мание должно уделяться изучению режима геологических процес-
сов и подземных вод, напряженного состояния массивов пород и
их деформациям в разведочных подземных выработках и на по-
верхности земли по широкой сети различных пунктов наблюдений
(в скважинах и горных выработках, по реперам и т. п.), обору-
дованных соответствующими приборами, как правило, с дистан-
ционным управлением. Разнообразная наблюдательная сеть, кото-
рая начала создаваться при изысканиях на стадии ТЭО, должна
быть на рассматриваемой стадии изысканий существенно увели-
чена, а затем модернизирована для передачи ее в инженерно-гео-
логическую службу горнодобывающего предприятия.
При изысканиях на стадии Проекта применяются все виды
полевых разведочных, в том числе геофизических, опытных и
режимных работ, а также лабораторно-экспериментальные, рас-
четно-аналитические исследования в различных объемах и разной
технологии выполнения, которые обусловлены типом месторожде-
ния, видом полезного ископаемого и горнотехническими фактора-
ми. Система размещения основных геологоразведочных и допол-
нительных специальных (инженерно- и гидрогеологических) вы-
работок, их количество и глубины, документация, технология про-
ходки, опробование, каротажные и другие измерения должны
различаться на угольных, железорудных, жильнорудных, соленос-
ных и иных месторождениях. Ориентировочно детальность изыс-
каний может быть охарактеризована масштабами отчетных карт,
приведенных в табл. 8.3. Вряд ли рационально регламентировать
виды, густоту, глубины разведочных и опытных выработок и дру-
гие работы; геологические исследования являются творческими,
нх задачи, содержание и методика выполнения должны быть оп-
тимальными, научно обоснованными и разработаны руководите-
лями в программах с соответствующей ответственностью авторов
и под контролем экспертизы. При выполнении камеральных
работ следует исходить из принципа содержательности, нагляд-
ности и компактности материалов, целенаправленных на решение
и обоснование главных задач исследований. Основные результа-
ты работ должны содержаться в различных специализированных
359
геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических раз-
резах, картах срезов и обобщенных для территории месторожде-
ния с оценкой устойчивости массивов пород в подземных и отк-
рытых выработках и прогнозами негативных горно-геологических
явлений. Методические рекомендации по составлению инженерно-
геологических документов имеются в работах Г. А. Голодковской,
Л. М Демидюк, Л. В. Шаумян (1983), института ВСЕГИНГЕО
(1986) и в других пособиях.
Инженерно-геологическая характеристика состояния террито-
рий, выбранных под временные и постоянные отвалы, их прогноз-
ная устойчивость, основанная на материалах детального изучения
с применением всех видов полевых и экспериментальных работ,
завершается на данной стадии. Материалы этих изысканий долж-
ны быть достаточными для разработки проекта отвалов, включая
мероприятия инженерной защиты и программы режимных наблю-
дений за их созданием и состоянием в период эксплуатации.
В ряде случаев выделяется особая стадия «доразведка место-
рождения», необходимость которой может возникнуть при рас-
смотрении в ГКЗ материалов по месторождению, выявлении эко-
номической и другой целесообразности увеличения запасов по-
лезного ископаемого. Это требует расширения пространства от-
работки, следовательно, необходимы дополнительные гидрогеоло-
гические и инженерно-геологические изыскания по задачам, со-
держанию и методам выполнения, аналогичные работам стадии
Проекта.
На стадиях детальной разведки и доразведки месторождения
продолжаются специальные инженерно-геологические изыскания
под проекты различных объектов ГОКа и для обоснования ТЭО
и Проектов инженерной защиты территории их размещения. Ме-
тодики инженерно-геологических изысканий определяются видами
сооружений на объектах ГОКа и сложностью геологической среды
района; основные положения методик изложены в предыдущих
главах, посвященных обоснованию промышленного, городского и
транспортного строительства.
Стадия эксплуатационной разведки и задачи рудничной геоло-
гии. Разработка месторождений полезных ископаемых происходит
под постоянным геологическим контролем и при дополнительных
геологоразведочных работах и опробованиях по уточнению прост-
ранственного распространения рудных тел, содержания в них по-
лезных компонентов и в целом запасов. Одновременно действует
геолого-маркшейдерская служба, в задачи которой ранее входили
гидрогеологические и инженерно-геологические наблюдения.
В связи с расширением горно-эксплуатационных работ, внедре-
нием новых технологий и механизации по добыче полезных иско-
паемых в больших и глубоких карьерах и подземных выработках
в сложных условиях возникла необходимость создания специаль-
ной гидрогеологической и инженерно-геологической службы, дея-
тельность которой должна составлять единое целое с работой
двух предыдущих. Основными задачами инженерно-геологической
360
службы в периоды строительства и эксплуатации ГОКа являются:
— натурная проверка достоверности прогнозных оценок, уста-
навливаемых при изысканиях, для проектов и рабочей докумен-
тации по отработке открытым и подземным способами, а) по за-
кономерностям и общей обводненности месторождений, мест и
расходов водопритоков, прорывов вод, плывунов и газов; б) по
состоянию и деформациям массивов пород, вскрываемых при от-
работке месторождения, по обоснованности характера, интенсив-
ности и параметров негативных инженерно(горно)-геологических
явлений, общей и локальной устойчивости во времени бортов
карьеров, откосов выемок, сводов и стенок подземных выработок
и в целом прилегающих территорий, испытывающих их влияние;
— проведение различных гидрогеологических, инженерно-гео-
логических, геокриологических и геомеханических натурных наб-
людений и экспериментов в целях установления характера изме-
нений геологической среды под воздействием горнодобывающих
работ и оценки степени ее опасности,
— всесторонний анализ материалов комплексных наблюдений
и дополнительных исследований при строительстве предприятий
ГОКа и эксплуатации месторождения, рекомендации и обоснова-
ние инженерных мероприятий по изменению горнопроходческих
работ, уточнению методов и типа крепления подземных вырабо-
ток, стабилизации бортов карьеров и по системам водопонижения
и другим работам для обеспечения эффективной и безопасной от-
работки месторождений;
— инженерно-геологический контроль и участие в реализации
вышеназванных дополнительных инженерных мероприятий.
Задачи инженерно-геологической службы при строительстве
объектов ГОКа и эксплуатации месторождений полезных ископа-
емых важны и ответственны, для их решения проводятся практи-
чески все виды комплексных исследований; картировочные, разве-
дочные, опытные, режимные наблюдения, экспериментально-ана-
литические и др. Целенаправленность, содержание и методы ра-
бот дают основание считать их как особый комплекс инженерно-
геологических исследований, который должен предусматриваться
в основных проектах создания или реконструкции ГОКа и может
быть определен как мониторинг геологической среды для горно-
добывающей отрасли. Результаты инженерно-геологических работ
на действующем горнодобывающем предприятии должны обосно-
вывать дополнительную рабочую документацию по совершенство-
ванию методов и безопасности отработки месторождения, своевре-
менно прогнозировать о возникновении новых опасных ситуаций
и настаивать на осуществлении неотложных и капитальных мер.
Глава IX
НОВЫЕ ПРОБЛЕМЫ
ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ
Инженерная геология сформировалась как наука, со специфичес-
кими теоретическими и прикладными направлениями, вначале
в связи с запросами дорожного строительства (конец XIX — на-
чало XX столетия), а с 20-х годов — преимущественно в связи
с гидротехническим строительством. В конце 20-х годов были
созданы соответствующие объединенные кафедры и началась под-
готовка специалистов по инженерной геологии и гидрогеологии.
В развитии инженерной геологии были переломные этапы по на-
учным теоретическим положениям, по методике полевых и экспе-
риментальных исследований; это середины 30-х и 50-х годов,
конец 60-х и наиболее существенный современный — период на-
учно-технической революции и перестройки народного хозяйства
всей страны. Резкое возрастание разнообразных, ранее не суще-
ствовавших техногенных нагрузок на геологическую среду, повы-
шенные требования к достоверности ее изучения и прогнозу из-
менений, возведение в сложных инженерно-геологических усло-
виях, в том числе при высокой сейсмичности, уникальных соору-
жений (плотин высотой 240—330 м, АЭС, промзданий, туннелей
БАМа, подземных и других объектов), не допускающих неравно-
мерных деформаций. Особенно энергично изменяются подземные
воды, их уровенный и гидрохимический режим вследствие боль-
ших водопонижений, подпора и техногенного питания, и возника-
ют опасные негативные явления — оползни, селевые потоки, под-
топление территорий, различных объектов и др. Подземные воды
являются важным инженерно-геологическим фактором, который
должен изучаться в едином комплексе с деформациями массивов
пород геологическими процессами.
Вопросы перестройки научных исследований и методики изыс-
каний. Веление времени — коренная многоплановая перестройка
народного хозяйства страны — в полной мере относится к инже-
нерной геологии, в том числе к ее разделу •— методике инженер-
но-геологических изысканий и научным исследованиям для обос-
нования проблем рационального строительства, надежной эксплу-
атации сооружений и территорий, для решения социально-эколо-
гических вопросов. Эффективное выполнение новых и более ответ-
ственных задач инженерной геологии требует нового мышления
в понимании современных и перспективных проблем инженерной
геологии, в том числе методики исследований. Натурное и экспе-
риментальное изучение геологической среды в целях количествен-
но-временной ее оценки и прогноза изменения во взаимодействии
362
со строительными работами и сооружениями, обоснование безава-
рийной их эксплуатации и защиты остается главным содержанием
инженерно-геологических изысканий на всех стадиях проектирова-
ния и эксплуатации. Качественно новый этап строительного про-
изводства, уникальность, высокая стоимость сооружений и соци-
ально-экологические требования предполагают нормальную эксп-
луатацию сооружений, исключают их деформации, разрушения и
катастрофы. В связи с этими требованиями существенно изменя-
ются инженерно-геологические проблемы по обеспечению надеж-
ности сооружений в периоды строительства и эксплуатации их.
Целенаправленность и комплексность инженерных изысканий,
соблюдение основных принципов (см. гл. I) особенно важны
в новых условиях перестройки, при создании и эксплуатации уни-
кальных промышленных, транспортных, гидротехнических и дру-
гих сооружений, воздействие которых на геологическую среду
нередко трудно достоверно оценивается, достигает и даже превы-
шает предельно допустимое. Возникает необходимость значитель-
ного усиления исследований характера и интенсивности измене-
ний геологической среды в периоды строительства и эксплуатации
инженерных сооружений в целях совершенствования их конструк-
ций, производства строительных работ, принятия дополнительных
мер по обеспечению надежности, предотвращению опасных про-
цессов и негативных последствий.
Сложность геологической среды, параметры и разнообразность
воздействия на нее строящихся и эксплуатируемых объектов та-
ковы, что практически неизбежны уточнения в ранее сделанных
оценках условий и прогнозах, которые вызывают дополнительные
проработки и осуществление инженерных мероприятий для обес-
печения устойчивости сооружений. Надежная эксплуатация со-
оружений и обеспечение безопасности на таких объектах, как Се-
веро-Муйский и Кодорский туннели БАМа, Рогунский, Токто-
гульский и Ингурский гидроузлы, крупные водохранилища, АЭС,
горнодобывающие и промышленные предприятия, требуют непре-
рывных комплексных наблюдений за изменениями компонентов и
в целом геологической среды, за возникновением опасных процес-
сов и своевременного принятия соответствующих мер.
Новые инженерно-геологические проблемы обусловливают не-
обходимость перестройки мышления при постановке и выполнении
комплексных изысканий, повышения требований к ним и новых
нормативных документов. Одним из важных новых методических
положений, пока мало вошедших в практику изысканий, явля-
ются существенное повышение значения исследований и проекти-
рования на стадии ТЭО, обязательность детального рассмотрения
вариантных решений при достаточных их обоснованиях инженер-
но-геологических, экономических, социально-экологических и дру-
гих. О большой роли ТЭО неоднократно отмечалось в предыду-
щих главах учебника; эта стадия налагает ответственность за
результаты изысканий; целесообразно увеличивать их виды и
объемы работ, но в оптимальных пределах.
363
В связи с изложенным перспективным и необходимым пред-
ставляется существенное совершенствование методики инженер-
но-геологических изысканий, более четкое их разделение на пе-
риоды: 1) проектирования и 2) строительства и эксплуатации объ-
ектов с формулировкой новых задач и ответственности. В прош-
лом основное внимание уделялось изысканиям на стадиях проек-
тирования; имеются многочисленные рекомендации, инструкции,
монографии, обобщающие опыт работ и т. д. Мало методической
литературы по режимным наблюдениям за изменениями геологи-
ческой среды во взаимодействии с инженерными сооружениями
и при осуществлении строительства, особенно для уникальных
объектов, при современных технических средствах и механизации.
На практике инженерно-геологическая служба осуществлялась
при строительстве и эксплуатации железных дорог, плотин, водо-
хранилищ, горных разработок и некоторых других объектов, но
в явно недостаточных объемах. Например, в службах пути каж-
дой действующей железной дороги действовали «геобазы» с за-
дачами наблюдений за деформациями земляного полотна, об-
вально-осыпными и оползневыми склонами, их размывами и т. п.
Выполнялись наблюдения за деформациями оснований плотин,
фильтрационными потоками и другие, признанные своевременно
выявлять опасные ситуации. Однако некомплексность и ограни-
ченность наблюдений приводили к перерывам в эксплуатации со-
оружений, к частичному или полному их разрушению, к огром-
ным материальным и социальным жертвам. В современных усло-
виях при значительном возрастании скоростей движения, разно-
образном воздействии сооружений и строительных работ на гео-
логическую среду опасность последствий существенно увеличива-
ется, и поэтому инженерно-геологическая служба при строитель-
стве и эксплуатации объектов приобретает новое значение, изме-
няясь в качественном и количественном отношениях. К сожале-
нию, приходится считаться, что нередко как проектные решения,
так и их выполнение не являются оптимальными, не учитываются
особенности геологической среды.
Важным видом наблюдений по выявлению влияния производ-
ства строительных работ на геологическую среду и уточнение ее
особенностей по сравнению с прогнозной является инженерно-гео-
логическая документация строительных наземных выемок (котло-
ванов, траншей, дорожных и др.) и подземных выработок. В ру-
ководстве института Гидропроект (1979) рассмотрены приемы и
технические средства по документации различных выработок
в скальных и других породах, их трещиноватости и выветрелости,
в условиях развития карста, многодетной мерзлоты и просадоч-
ных лёссов, а также документации водопроявлений и гидрогеоло-
гических особенностей участка.
Эндогенные и экзогенные геологические процессы как природ-
ные, закономерно отражающие развитие земной коры, так и вновь
образовавшиеся или активизированные различными техногенными
факторами нередко опасны и причиняют большой материальный
364
ущерб, разрушая сооружения и ценное оборудование, а также на-
нося существенный социально-экологический вред. Система учета,
методика оценки ущерба и негативных последствий от опасных
геологических процессов, а также рациональные методы борьбы
с ними практически не разработаны, что осложняет обоснования
экономической эффективности, инженерной и иной защиты от них
территории и сооружений. Обоснование этих разработок — одна
из задач методики инженерно-геологических изысканий. Таким
образом, складывается новое направление в инженерной геологии,
которое может быть названо мониторингом геологической среды,
применительно к разным комплексам сооружений (города, АЭС,
ГЭС, водохранилища, дороги, подземные, нефтегазотрубопроводы
и др.) и с учетом методов строительных работ. Основные задачи
.мониторинга геологической среды:
— анализ достоверности инженерно-геологических выводов,
заключений, прогнозов и рекомендаций, сделанных на стадиях
проектирования;
— проведение и анализ результатов комплексных длительных
режимных наблюдений за компонентами геологической среды
(деформациями поверхности и пород, их свойствами и напря-
жениями, подземными водами, процессами и т. д.) и ее динамики
в целом под влиянием природных и техногенных факторов в це-
лях определения предельных значений критериев изменения ин-
женерно-геологических условий, обеспечивающих надежность и
нормальную эксплуатацию сооружений и территории;
— инженерно-геологическое обоснование (в случае необходи-
мости) дополнительных мероприятий по усилению конструкций
сооружений, по изменению способов строительства и по инженер-
ной защите от негативных геологических процессов, возникающих
при возведении или эксплуатации сооружений, а также контроль
за их выполнением и эффективностью;
— непрерывная автоматизированная обработка данных наблю-
дений за деформациями сооружений и состоянием геологической
среды, факторами и показателями предельного их изменения
(критерии надежности), по достижении которых необходимо час-
тично или полностью остановить эксплуатацию сооружений, при-
нять неотложные и другие меры во избежание катастрофических
последствий;
— обобщение данных наблюдений, выявивших в периоды
строительства и эксплуатации объекта неточности и ошибки
в оценке инженерно-геологических условий из-за недостаточности
изысканий, а также констатации выполненных излишних работ,
тто необходимо для совершенствования методики инженерно-гео-
логических исследований.
Эффективность и обязательность инженерно-геологических ис-
следований по системе мониторинга убедительно подтверждены
опытом строительства Ингури ГЭС и Токтогульской ГЭС, без них
нереальна эксплуатация таких объектов, как Северо-Муйский и
Другие туннели БАМа, Рогунская ГЭС на р. Вахше, АЭС и по-
365
добные уникальные сооружения, нарушения которых чреваты ог-
ромными ущербами и социальными последствиями. Одновременна
инженерно-геологические наблюдения должны выявить при стро-
ительстве и эксплуатации сооружений детали и нюансы геологи-
ческой среды, не влияющие на принципиальные проекты и стро-
ительные решения, которые часто трудно или нецелесообразно
пытаться установить на стадиях изысканий, но легко устранить
при их обнаружении, без существенных затрат.
При комплексных режимных наблюдениях применяются раз-
нообразные методы: геодезические — за деформациями поверх-
ности земли и сооружений, внутри массива пород; инструмен-
тальные — за напряжениями и деформациями по тензо- и другим
датчикам, приборам и т. д.; гидрогеологическое опробование и
перспективные сейсмоакустические и иные геофизические методы,
а также изучение режима землетрясений и периодически аэро- и
наземные фотограмметрические съемки с последующим геологи-
ческим дешифрированием. Для инженерно-геологической интер-
претации данных комплексных наблюдений, установки допол-
нительных пунктов и расширения наблюдений производятся
специальное бурение скважин и проходка горных выра-
боток.
В проектах строительства крупных' сооружений, возводимых,
в сложных природных условиях, должны быть предусмотрены
достаточные средства на выполнение в течение длительного вре-
мени комплексных инженерно-геологических исследований по мо-
ниторингу геологической среды, который призван обеспечить
безопасную и непрерывную эксплуатацию объектов. Действитель-
но, трудно гарантировать нормальную работу и предотвратить
катастрофы на таких сооружениях, как Северо-Муйский туннель,
Рогунская ГЭС, авто- и железные дороги, крупные города и про-
мышленные объекты в горно-складчатых и сейсмически активных
областях, с интенсивным развитием оползней, селей, абразии,
карста, если не будут организованы и квалифицированно прово-
диться комплексные работы по мониторингу геологической среды.
Во многих случаях к организации служб наблюдений за динами-
кой геологической среды целесообразно приступать в период
изысканий для более полного понимания изменений при строи-
тельстве и эксплуатации сооружений, существенно расширяя со-
держание и методы изучения.
Значительное увеличение разнообразной техногенной нагрузки
на геологическую среду, особенно от уникальных сооружений,
создаваемых в равнинных и горных районах со сложными геоло-
гическими, гидрогеологическими и геокриологическими условия-
ми, обязывает существенно изменить мышление и методику
инженерно-геологических изысканий в направлении комплекснос-
ти и кооперации в проведении работ, с привлечением соответству-
ющих специалистов.
Инженерная защита территорий и сооружений от опасных гео-
366
логических процессов (ОГП) '. Расширение строительства разно-
образных наземных и подземных сооружений, в том числе круп-
ных и уникальных, в районах со сложными и малоблагоприятны-
ми инженерно-геологическими условиями, не всегда достаточно
детально изученными, а также нарушение производства работ вы-
зывает развитие негативных и даже опасных геологических про-
цессов. Нередко создаются сложные и критические ситуации для
существующих и проектируемых сооружений, для использования
территории, безопасности людей, а также чреватые большим ма-
териальным ущербом. Проблема достоверной и современной оцен-
ки состояния территории, и прогноза их изменения во взаимо-
действии с сооружениями и производством строительных работ
весьма актуальна и имеет общегосударственное значение. Это
подтверждается многочисленными примерами из отечественной и
мировой практики — грандиозными оползнями, селевыми потока-
ми, активизацией карста и просадок в лёссах, а также серьезны-
ми деформациями эксплуатируемых крупных промышленных, го-
родских зданий, туннелей и других объектов.
Геологическая среда — многокомпонентная и динамическая
природная система — разнообразно и энергично взаимодействует
с сооружениями и производством строительных работ, изменяя
существующие и вызывая новые, нередко ОГП. Их изучение,
прогноз, оценка и управление в целях обоснования и реализации
защитных мероприятий — одна из главнейших задач инженер-
ной геологии. Нереально без существенной перестройки и ускоре-
ния в деятельности всей системы «изыскания — проектирование
мероприятий инженерной защиты — их осуществление — наблю-
дения за эффективностью» предотвратить катастрофические пос-
ледствия и значительно снизить материальный ущерб. В первую
очередь необходим пересмотр в свете современных требований
методических положений по разработке комплексных Схем, ТЭО
и Проектов инженерной защиты от ОГП, а также определение
содержания обосновывающих их инженерно-геологических, гид-
рологических, экономических и других материалов изысканий,
учет социально-экологических требований.
1 Под опасными геологическими процессами понимаются оползни, обвалы,
курумы, селевые потоки, карст, горные лавины, абразия, переработка берегов
водохранилищ, речная эрозия, оврагообразование, просадки в лёссах и на под-
работанных территориях, подтопление и другие, а также аналогичные, в крио-
литозоие специфические, интенсивно развивающиеся, преимущественно в боль-
ших объемах, создающие резко негативные условия для строительства и экс-
плуатации различных про'мобъектов, АЭС, ГЭС, городов, поселков, транспорт-
ных линий, ценных земель, приводящие к разрушению сооружений, порче обо-
рудования, перерывам производства, значительному материальному ущербу и
нередко к гибели людей Современные тектонические движения и сейсмические,
вызывающие сейсмодислокации на поверхности ^емли и в массивах пород, изу-
чаются отдельно и оцениваются по особым нормативным документам Не каж
Дый процесс относится к опасным, например, малая сейсмичность, мед 'енчый
карст в карбонатных породах, мелкие сплавы и т п , вопрос заключается в ин-
тенсивности, объемах, вероятных последствиях и ущербе, а такя-с в сложности
инженерных мероприятий защиты
367
Опыт показывает, что во многих случаях неэффективность
борьбы с негативными геологическими процессами наряду с недо-
статочной их изученностью обусловлена разобщенностью в дея-
тельности инженера-геолога, проектанта и строителя. Необходимы
координированная равноправная деятельность и совместные реше-
ния геолога и инженера, что позволит более рационально решать
конкретные геологические и строительные задачи. Надо иметь
в виду, что научно-технический прогресс по своей сущности иск-
лючает «волевые» решения как в выборе местоположения и типов
сооружений, так и в строительстве без заблаговременной защи-
ты в условиях интенсивно изменяющейся геологической среды.
Схемы, ТЭО и Проекты мероприятий инженерной за-
щиты территории и сооружений от ОГП являются градостро-
ительно формирующими факторами с технической, экологической
и экономической позиций; они нередко удорожают освоение и
строительство объектов, но должны обеспечить надежную их
эксплуатацию и исключить катастрофические разрушения.
На практике следует различать понятия «инженерная подго-
товка территории» и «инженерная защита от ОГП»-, первая пред-
полагает проектирование и осуществление мероприятий общего
характера — по благоустройству, вертикальной планировке, соз-
данию ливнестоков и облицовочных стен, внутренних дорог и т. п.
Инженерная защита включает сложные и значительные по объ-
ему и стоимости строительные и иные мероприятия по предот-
вращению или контролируемому развитию интенсивных ОГП,
возникающих под влиянием как природных, так и техногенных
факторов. Своевременное определение системы мероприятий по
инженерной защите на стадиях Схемы и ТЭО позволяет сравни-
вать варианты решений в размещении и конструкциях основных
объектов, городов, гидроузлов, транспортных магистралей, оцени-
вать увеличение стоимости осуществления их для предотвращения
катастрофических последствий или обосновывать отказ от наме-
ченного строительства. Применительно к градо-, промышленному
и транспортному строительству инженерная защита территорий,
зданий, и сооружений от ОГП в районах со сложными инженер-
но-геологическими условиями предполагает обязательную вари-
антную разработку проектной документации по инженерной за-
щите: генеральной схемы (ГСИЗ); детальной схемы (ДСИЗ) или
специальной схемы (ССИЗ); технико-экономического обоснования
(ТЭО), на основе которых составляется Проект (см. табл. 4.2 и
4.3). Эти проектные документы должны учитываться при сравни-
тельном анализе экономических и социальных факторов строи-
тельства, при рассмотрении вопросов надежности возводимых со-
оружений и природоохранных задач.
Сложность инженерно-геологических условий (геологической
среды) существенно влияет на задачи, виды и детальность комп-
лексных изысканий для обоснования Схем, ТЭО и Проектов ин-
женерной защиты, которые целесообразно обособлять в програм-
мах работ на стадиях как проектирования сооружений, так и
368
строительства и эксплуатации их. Во втором случае комплексные
исследования составляют начальную важную часть мониторинга
геологической среды.
Система комплексных режимных наблюдений и эксперимен-
тальных исследований за изменяющейся геологической средой
должна осуществляться в сочетании на нескольких уровнях, ре-
гиональном и детальном, на специально выбранных и оборудо-
ванных геодицамических полигонах. Очень важно, чтобы с на-
чальных этапов изучения и борьбы с ОГП действовала научно
обоснованная и практически направленная методика исследова-
ний. При создании полигонов и проведении на них инженерно-гео-
логических исследований необходимо исходить из следующих ос-
новных положений.
— Геодинамические полигоны для детальных наблюдений на-
до создавать в районах наиболее интенсивных изменений геологи-
ческой среды, опасных для проектируемых или существующих
крупных народнохозяйственных объектов, для которых обязатель-
ны разработка и осуществление мероприятий по управлению,
инженерной защите от ОГП. Кроме полигонов необходима сеть
стационарных пунктов для проведения режимных наблюдений за
подземными водами и геологическими процессами на типичных
участках, которые должны дать региональную характеристику
изменений геологической среды и позволить обоснованна экстра-
полировать принципиальные выводы и рекомендации, полученные
на полигонах, и использовать их при обосновании инженерной
защиты на освоенных и застроенных территориях.
— На каждом полигоне чаще развиты один-два основных
опасных геологических процесса, изучение которых обязательно
выполняется во взаимосвязи с другими экзогенными и эндоген-
ными геологическими процессами в сочетании с анализом роли
климато-гидрологических и особенно техногенных факторов.
Разобщение изучения экзогенных геологических процессов от эн-
догенных нерационально и может привести к неточной оценке гео-
динамической ситуации и непредвиденным осложнениям.
— Выполнение целенаправленного геомониторинга требует та-
кой организации работ, при которой имелась бы возможность
обоснованного выбора мероприятий по инженерной защите тер-
риторий и сооружений от опасных последствий и ущерба. Прог-
раммы должны предусматривать поэтапные исследования, скоор-
динированные со стадийностью проектирования городов, дорог,
ГЭС, АЭС и других народнохозяйственных объектов, включая
проектирование инженерной защиты и освоение территории.
— В задачи геомониторинга целесообразно включать инженер-
но-геологический контроль за реализацией инженерной защиты и
ее эффективностью с учетом изменения геологической среды.
Геодинамические полигоны должны быть созданы во всех ти-
пичных районах страны и должны охватить территории крупных
городов, гидроузлов, промобъектов, АЭС, горных предприятий
и других уникальных сооружений. Изучение изменений геологи-
369'
ческой среды и контроль за влиянием на нее крупных объектов
и строительства на региональном уровне проводятся с деталь-
ностью, необходимой для разработки проектов районных плани-
ровок и генеральных схем инженерной защиты от ОГП (в особых
случаях детальных схем), и должны быть функцией организаций
Министерства геологии. Аналогичные исследования на террито-
риях размещения промобъектов, ГЭС, дорог и иных сооружений,
энергично воздействующих на геологическую среду, должны про-
водиться ведомствами, их эксплуатирующими, в научно-методи-
ческом согласовании с региональными наблюдениями.
Несомненна эффективность рационально организованных
наблюдений за режимом геологической среды. Например, деталь-
ное изучение факторов и компонентов среды развития крупных
•оползней и других интенсивно развивающих опасных геологичес-
ких процессов в ряде областей страны создало предпосылки для
проектирования и последующего осуществления мероприятий
инженерной защиты, в том числе успешные работы по стабили-
зации горного оползневого склона в районе угольных месторож-
дений в Ангрене (Узбекистан). Как указывалось в главе VIII,
Атчинский оползень объемом около 800 млн м3 угрожал разра-
боткам углей методом газификации и в глубоком карьере, пере-
крытию русла р. Ахангарана, крупному жилому поселку и дру-
гим объектам. Обстоятельные и организованно проведенные ин-
женерно-геологические исследования, оперативное проектирова-
ние и выполнение инженерных мероприятий обеспечили стабили-
зацию территории без перерыва в разработке месторождения.
Осуществленные берегозащитные и противооползневые мероприя-
тия на значительном протяжении побережья Черного моря в рай-
онах Крыма и Грузии, городов Одессы, Сочи, рационально со-
четающие открытые волногасящие пляжи с бунами, волноломами,
с вертикальной планировкой склона, контрбанкетами и дренажа-
ми, оказались эффективными и обусловили сохранность террито-
рии, ее защиту от морской абразии, оползней и эрозии, возмож-
ность дальнейшего освоения и строительства городов, дорог и
иных объектов.
Необходимость и эффективность инженерно-геологической
службы наблюдений за развитием опасных геологических про-
цессов и состоянием территории, выполняемые экспедициями
Мингео СССР, по рекомендациям которого были приняты защит-
ные меры, предотвратившие катастрофические последствия, под-
тверждается на примерах крупных оползней в городах Махачкале
(1988), Кисловодске (1985) и многих районах Таджикистана.
Опасность возникновения оползней, установленная по данным ре-
жимных наблюдений, была своевременно оценена, были пересе-
лены жители, перенесены здания и запрещена дальнейшая за-
стройка территории. Прогнозы оказались достоверными: мате-
риальный ущерб был сведен к минимальному.
Специальные научные исследования при комп-
лексных изысканиях. Практически на всех стадиях инже-
370
нерно-геологических изысканий для проектирования строительства
и последующей эксплуатации крупных сооружений необходимы
специальные теоретические и методические проработки по различ-
ным вопросам в целях научно обоснованного решения поставлен-
ных конкретных задач, достоверных выводов и рекомендаций. По
содержанию, методам решения и значению научно-методические
исследования весьма разнообразны и для более компетентного их
выполнения привлекаются ученые и специалисты смежных геоло-
гических, математических и технических наук; постановка задач
и участие в интерпретации должны сохраняться за инженерами-
геологами. По опыту комплексных изысканий для гидротехничес-
кого, подземного, горнодобывающего, транспортного и иного
строительства научные проработки группируются по следующим
направлениям.
1. Обоснование детального стратиграфо-петрологического рас-
членения разрезов морских и континентальных отложений, маг-
матических и других массивов, выявление закономерностей их
фациальной изменчивости часто требуют специального изучения
литологического состава и структуры пород, дополнительной фау-
нистической характеристики, которые необходимы для разделе-
ния толщи на литологические пачки и слои, обладающие различ-
ными физико-механическими свойствами, водопроницаемостью,
размываемостью, устойчивостью по отношению к процессам вы-
ветривания, карста, суффозии и т. п. Аналогичные тематические
проработки необходимы по детальному изучению на опорных раз-
резах и участках типов, механизма и времени формирования
трещин, разломов и малой складчатости разного генезиса, нару-
шающих массивы пород, определяющих их дискретность, дефор-
мируемость, движение подземных вод и другие важные характе-
ристики. К общегеологическим темам, которые обычно включают-
ся в теоретические и натурные исследования с последующей ин-
женерно-геологической интерпретацией, относятся целенаправлен-
ное изучение не’отектонических структур, их движений, геологиче-
ских последствий землетрясений и сейсмодислокаций, а также
обоснование критериев сейсмического микрорайонирования,
в первую очередь применительно к высоким склонам сложного
строения.
2. Изучение природы структуры и связей, прочности и дефор-
мируемости различных литологических типов и комплексов пород
с учетом их изменчивости, выветрелости, трещиноватости и осо-
бенностей механизма разрушения при воздействии природных и
техногенных факторов. Без данных углубленных эксперименталь-
ных исследований с применением современных приборов и без
понимания характера и закономерностей формирования основных
физико-механических свойств пород неизбежны затруднения
в достоверной их оценке, прогнозе изменений и обосновании ме-
тодов укрепления.
3. Натурные опыты для изучения геомеханических и геофильт-
рационных свойств и напряженно-деформированного состояния,
371
с вовлечением в сферу воздействия при эксперименте возможно
большего объема пород, проводятся разными методами и аппара-
турой. Они позволяют в некоторой мере учесть гетерогенность
массива и дают наиболее представительные результаты, но тру-
доемки, требуют предварительных методических проработок, со-
вершенствования установок и приборов для воспроизводства на-
иболее реального механизма деформирования пород во взаимо-
действии с сооружением. Подобные опыты надо проводить в ог-
раниченном количестве, когда нет возможности оценить свойства,
поведение массива и обосновать конструктивные решения более
облегченными методами, когда состояние и показатели пород
близки к предельным, т. е. мал запас прочности и требуются на-
иболее точные данные.
Для проведения крупномасштабных геомеханических геофильт-
рационных натурных опытов необходимо их предварительное
проектирование, обоснование выбора метода и установок, иногда
специального лабораторного эксперимента. Обязательно сочета-
ние их с целенаправленными геофизическими исследованиями по
определению параметров сферы воздействия и совместная интер-
претация результатов на массив пород, определение зон разло-
мов, карста, оползней и иных форм нарушения.
Нередки случаи, когда натурными опытами надо охарактери-
зовать инженерно-геологический процесс, установить его парамет-
ры, предельные для конкретных условий и опасные для устойчи-
вости сооружения. Эти сложные эксперименты выполняются для
решения ответственной задачи, например для определения крити-
ческих градиентов фильтрационного потока или суффозии, веро-
ятности крупного оползня, способного разрушить сооружение,
и т. п.
4. Физическое и математическое моделирование ОГП, а также
сравнительный геологический анализ, проводимые в сложных
случаях для выявления надежности крупных и уникальных соору-
жений и критериев безопасности геологической среды, относятся
к тематическим исследованиям и должны выполняться наиболее
квалифицированными специалистами. Геологическая среда, ее
взаимодействие с крупными сооружениями или строительным про-
изводством настолько сложны, что общепринятыми инженерными
расчетными методами достоверно решать поставленные задачи
трудно, и поэтому физическое моделирование в сочетании с мате-
матическим и сравнительно-геологическим анализом наиболее
перспективно. В связи с изложенным неизбежны дополнительные
методические прораоотки по составлению моделей: инженерно-
геологических строения и процессов, а также геомеханических,
включая исходные параметры свойств и состояния массива пород,
применительно к требованиям выбранных методов расчета и экс-
периментов на стендовых установках.
Перечисленными направлениями и вопросами научно-методи-
ческих исследований не ограничивается круг проблем, необходи-
мых для обоснования инженерно-геологических прогнозов и зак-
372
лючений на стадиях проектирования. Геологическая среда, осо-
бенности и даже уникальность сооружений и методы производства
строительных работ непрерывно изменяются, поэтому закономер-
ны новые тематические исследования и обязательность их выпол-
нения. Новые инженерно-геологические проблемы по складываю-
щемуся направлению мониторинга геологической среды уже воз-
никают и будут расширяться в связи со строительством и эксплу-
атацией в сложных природных условиях высоких плотин, ГАЭС,
АЭС, глубокорасположенных подземных объектов разного назна-
чения и многих других.
Рассмотренные выше и дополнительные научно-методические
проработки для повышения качества и эффективности изысканий
надо осуществлять своевременно, компетентно и в оптимальных
объемах. Например, выявление тектонических разломов, вероят-
ности современных по ним подвижек, уровня сейсмичности, по-
тенциальной возможности крупных оползней, обвалов, селевых
потоков и карстовых провалов, изменений геокриологической или
гидрогеологической обстановки, способных разрушить и сущест-
венно повредить сооружение, должно начаться на стадии Схемы,
а на стадии ТЭО необходимо получить объективные данные для
проектирования по вариантам с оценкой строительной стоимости
объекта и вероятных дополнительных затрат на наблюдения за
режимом процессов и состоянием сооружений, на неизбежные
меры инженерной защиты в период их эксплуатации.
Комплексные инженерно-геологические исследования являются
всегда творческими, носят научно-поисковый характер, требуют
высокой квалификации исполнителей, целеустремленности при ре-
шении конкретных задач и, как правило, вариантного рассмотре-
ния размещения, конструкции, методов строительства и мер ин-
женерной защиты сооружений и прилегающих территорий с уче-
том социально-экологических обстоятельств.
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПОИСКИ И РАЗВЕДКА
МЕСТОРОЖДЕНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД
ПРИ КОМПЛЕКСНЫХ ИЗЫСКАНИЯХ
Для строительства сооружений, земляного полотна дорог, бере-
гозащитных и других требуются разнообразные естественные ма-
териалы, нередко в больших объемах, высокого качества и вблизи^
возводимого объекта. К их числу относятся:
Песчано-гравийные материалы. Пески, гравий и щебень для
бетона, определенного размера, прочности и однородного петро-
графического состава, не содержащие вредных примесей в виде
пылевато-глинистых фракций, зерен полевых шпатов, слюды, пи-
рита и т. п. Минеральная составляющая бетона должна быть ус-
тойчивой к выветриванию, колебаниям температуры и влажности.
При строительстве крупных ГЭС, промообъектов, протяженных
туннелей объемы бетонных работ составляют несколько миллио-
нов кубических метров. Многие стройки испытывают острый де-
фицит в песке и гравии для бетона, вынуждены привозить их за
несколько сотен километров или создавать дробильно-щебеночные
заводы при наличии в районе прочных пород. Особые требования1
предъявляются к инертным материалам для гидротехнического
бетона и сооружений на морских берегах, подвергающихся агрес-
сивному воздействию промстоков.
Чистые средне-крупнозернистые пески и мелкий гравий необ-
ходимы для различных дренажей, устройства «обратных» фильт-
ров при строительстве плотин, прорезей и подушек в земляном
полотне дорог, к которым предъявляются особые требования.
Строительство дорожных насыпей, плотин, ограждающих дамб,
удерживающих контрбанкетов, планировочных подсыпок при вер-
тикальных планировках в городах и на промплощадках, волно-
гасящих пляжей на берегах морей, озер и водохранилищ осуще-
ствляется из песчано-гравийных, галечниковых и обломочных
масс. Поэтому поиски и разведка песчано-гравийных материалов
являются составной частью комплексных изысканий, так как мо-
гут существенно повлиять на общую стоимость строительства.
Глинистые грунты. Тяжелые супеси и суглинки, в том числе
с мелкообломочными включениями, во многих случаях использу-
ются для земляного полотна дорог, дамб, контрбанкетов, подсы-
пок и в других случаях, если они уплотняются при укладке и
укатывании до нужных кондиций при оптимальной влажности.
Для протнвофильтрационных экранов, различных покрытий и
ядер в земляных укатанных и каменно-набросных плотинах тре-
буются глинистые грунты, обладающие особыми свойствами; при
изысканиях проводятся специальные их поиски и разведка.
Каменные материалы имеют широкое применение при строи-
тельстве каменно-набросных плотин, облицовок, отмосток, твердо-
374
то покрытия автодорог, в качестве блоков в капитальных соору-
жениях (мосты, уникальные здания, памятники), набережных
и т. п. К ним предъявляются требования высокой прочности, ус-
тойчивости к выветриванию и агрессивным водам, к параметрам
блочности в зависимости от их использования. Для указанных
целей используются интрузивные и эффузивные породы, прочные
разности известняков, валунные скопления в ледниковых отложе-
ниях и некоторые другие. При оценке качества и пригодности ка-
менных стройматериалов для разных целей необходимо учитывать
их литологическую изменчивость, литогенетическую и тектоничес-
кую трещиноватость, создающую начальную блочность породы, ее
изменение процессами выветривания и гидротермальными, дроби-
мость при взрывной разработке месторождения.
В руководстве Гидропроекта (1978) рекомендуется:
— разделять основные группы месторождений естественных
•строительных материалов на крупные, средние и малые, различа-
ющиеся по объемам и мощности полезного ископаемого, его сос-
таву, качеству, изменчивости и условиям залегания;
— в зависимости от вида, генезиса и условий залегания по-
лезного ископаемого размещение и густота разведочных выра-
боток (скважин, шурфов, геофизических точек) при оценке запа-
сов по категориям С, В и А должны быть различными и рас-
стояния между ними должны составлять от 50—75 до 300—400 м;
— детальность разведки, включая опробование, месторожде-
ний стройматериалов по категориям С, В и А, как правило,
должна соответствовать стадиям изысканий и проектирования,
с уточнениями запасов и качества в период строительства; в от-
четах по поискам и разведкам стройматериалов должны быть
охарактеризованы гидрогеологические и горнотехнические усло-
вия разработки месторождений;
— при изысканиях выполнять технические условия на естест-
венные строительные материалы по определению показателей их
состава и свойств, применительно к требованиям гидротехничес-
ких, дорожных и других сооружений, содержащихся в инструк-.
циях Государственной комиссии по запасам (ГК.З) и ведомствен-
ных;
— поисковые и разведочные работы на месторождениях строй-
материалов должны основываться на результатах специальной
маршрутно-площадной геологической съемки, в результате кото-
рой составляются карты месторождений в масштабах в целом по
району от 1:100 000 до 1:25 000 и по отдельным участкам от
1: 5000 до 1 : 1000 в зависимости от вида полезного ископаемого,
стадии изучения, сложности геологической обстановки и разра-
ботки;
— при поисках и разведках месторождений естественных
стройматериалов, наряду со съемкой и горными выработками
(скважины, шурфы, расчистки), следует широко применять спе-
циальные виды исследований: геотизические методы (электро- и
сейсморазведку); динамическое зондирование, дешифрирование
375
аэро- и фототеодолитных снимков и др.;
— основным полевым поисковым и разведочным работам
должны предшествовать сбор и обобщение фондовых материалов;
— обращать большое внимание на изучение гидрогеологичес-
ких условий месторождений всех видов стройматериалов, на об-
щую обводненность вскрышной и полезной толщ пород, на их
водопроницаемость и прогноз вероятных водопритоков, на уровни
и режим водоносного горизонта;
— опробование месторождений стройматериалов осуществлять
по методикам, применительно к видам и особенностям геологи-
ческого строения и обводненности толщ, в соответствии с требо-
ваниями стандартов и технических условий строительства;
— в особых случаях качество и пригодность грунта для наме-
ченного сооружения целесообразно определять в натурных усло-
виях, выполняя опытную укладку, уплотнение или намыв;
— поиски и разведку месторождений стройматериалов в рай-
онах распространения многолетней мерзлоты осуществлять по
особой методике, учитывая условия, режим и мощности слоев
сезонного оттаивания и промерзания различных пород, особен-
ности распространения, уровни и напоры подземных вод; отбор
проб и проведение с ними испытаний осуществлять в соответст-
вии с инструкциями;
— камеральную обработку полевых материалов и лаборатор-
но-экспериментальных данных выполнять по каждому типу грун-
та, используя пособие Гидропроекта (1978), и давать сравнитель-
ные характеристики отдельным участкам месторождения, включая
геолого-экономические соображения по способам отработки и их
эффективности.
Для строительства крупных объектов требуются другие раз-
личные стройматериалы кроме вышерассмотренных. В первую
очередь и в больших количествах цемент, пески и глинистые грун-
ты для кирпичного и керамического производства, известь и иные.
Выявление и изучение месторождений сырья для выработки этих
видов строительных материалов, как правило, не входят в задачи
комплексных инженерно-геологических изысканий, а выполняются
объединениями министерств геологии или строительных мате-
риалов.
Поиски подземных вод. В тех случаях, когда нет возможности
создать водозаборы на реках и озерах для технического и питье-
вого водоснабжения, в программы комплексных изысканий вклю-
чаются задачи по поискам и разведке подземных вод для нужд
ограниченного водоснабжения строительной площадки, бетонного
завода, жилого поселка и иных объектов временного действия.
Поисково-разведочные работы на подземные воды осуществляются
в соответствии с действующими инструкциями. Результаты гид-
рогеологических исследований по временному и локальному во-
доснабжению объектов строительства должны быть рассмотрены
и утверждены в территориальных объединениях Министерства
геологии и организациях санитарной охраны.
376
ЛИТЕРАТУРА
Авакян А Б Достоинства и недостатки водохранилищ//Природа 1987.
№ 11
Арэ Ф Э Основы прогноза термоабразни берегов Новосибирск, 1985
171 с
БадухинВ Н и др Саяно Шушенская ГЭС на р Енисее//Плотины и
геология 1986 Т 10 С 6—41
Балабанов И П.КвирквелияБ X, Островский А Б Новей-
шая история формирования инженерно геологических условий и долгосрочный
прогноз развития береговой зоны полуострова Пицунда Тбилиси, 1981
БилеушА И и др Инженерная подготовка территорий в сложных ус-
ловиях Киев, 1981 206 с
БондарикГ К Теоретические основы и методика инженерно геологиче-
ского опробования горных пород//ХХШ сессия Междуиар геол конгр Докл
сов геологов 1968 С 68—74
Бондарик Г К Основы теории изменчивости инженерно геологических
свойств горных пород М, 1971
Бондарик Г К Методика инженерно геологических исследований М,
1986 329 с
Бондарик Г К, Золотарев Г С Теоретические основы методики ин-
женерно геологических исследований//Тр Всесоюз конф по инженерной геоло-
гии Т 3 Ростов н/Д, 1980
Бондарик Г К, Комаров И С.ФерронскийВ И Полевые ме-
тоды инженерно геологических исследований 1967 371 с
Ьородавк1пА П Механика грунтов в трубопроводном строительстве
М, 1976
Варазашвили Н Г Особенности формирования берегов водохранилищ
в условиях нестационариости уровенного режима на примере горных водохра-
нилищ Закавказья//Тр Гидропроекта Вып 96 М, 1983 С 75—84
Варга А А Актуальные проблемы изучения активных разрывных наруше-
ний в инженерной геологии//Инженернаи геология 1986 № 3 С 3—15
Варга А А Инженерно тектонический анализ скальных массивов М, 1988
213 с
Водохранилища и их воздействие на окружающую среду/Под ред Е В Во-
ропаева, А Б Авакяна М, 1986
Воскобойников В М, Лиходеева О Г Изучение и прогнозирова-
ние геологических процессов на основе метода обобщенных переменных (на при-
мере переработки берегов водохранилищ)//Инженерная геология 1984 № 1
ВНИИГЕОИНФОРМСИСТЕМ Методические рекомендации по изучению на-
пряженно деформированного состояния горных пород на различных стадиях гео-
логоразведочного процесса МР 41 06 079 86 М 1987 115 с
ВСЕГИНГЕО Методическое руководство по изучению инженерно геологи-
ческих условий рудных месторождений при их разведке М, 1977
ВСЕГИНГЕО Изучение гидрогеологических и инженерно геологических ус-
ловий месторождений твердых полезных ископаемых М, 1986
Геология и сейсмичность зоны БАМ Новосибирск, 1985 185 с
Геология района сооружений Волго Дона М, 1960 416 с
Гидропроект Руководства и инструкции по определению водопроницаемости
пород методом налива в шурфы 1969 61 с
Гидропроект Руководства и инструкции по определению фильтрационных
характеристик пород методом нагнетания воздуха в скважины М • 1976 23 с
Гидропроект Руководства и инструкции по определению коэффициента
фильтрации пород методом опытной откачки М, 1981 125 с
Гидропроект Руководства и инструкции по определению водопроницаемос-
ти скальных пород методом нагнетаний воды в скважины М, 1978 47 с
Гидропроект Руководства по поискам, разведке и опробованию естествен-
ных минеральных строительных материалов для гидротехнического строитель-
ства М, 1978 145 с П-659 78
377
Гидропроект Руководство по инженерно-геологической документации строи-
тельных выемок при строительстве гидротехнических сооружений М, 1979
50 с.
Гидропроект Руководство по крупномасштабной инженерно-геологической
съемке М, 1982 85 с
Гидропроект Руководство по инженерно-геологическим изысканиям для
строительства подземных гидротехнических сооружений М, 1984 53 с
Голодковская Г А, Демидюк Л М, Шаумян Л В Методиче-
ские рекомендации к составлению инженерно геологических карт при разведке
месторождений полезных ископаемых М, 1983 48 с
Голодковская Г А, Лебедева Н И Инженерно-геологическое рай-
онирование территории Москвы//Инженерная геология 1984 № 3 С 87—102
Голодковская Г А, Лихачева Э А, Петренко С И Палсо-
геоморфологическиД анализ и его значение для инженерно геологического рай-
онирования//Вестн Моск унта Сер геол 1981 № 6 С 9—17
Голодковская Г А.МатулаМ.ШаумянЛ В Инженерно геоло-
гическая типизация и изучение скальных массивов М, 1987 270 с
Голодковская Г А, Шаумян Л В Методические основы инже-
нерной геологии месторождений полезных ископаемых//Вестн Моск ун-та Сер.
геол 1988 № 1 С 78—86
Голодковская Г А и др Инженерно геологические исследования при
разведке месторождений полезных ископаемых М, 1975 186 с
Гречищев С Е, Кюнтцель В В, Сагайдачный Ю А О неко-
торых перспективных направлениях развития математических методов в инже-
нерной геологии и геокриологии//Инженерная геология 1981 № 5
Гроссман И И, Глазунов Е М, Канаев Ф С Строительство под-
земных сооружений ГЭС на Крайнем Севере М, 1979 128 с
ГущенкоО И Реконструкция поля мегарегиональных напряжений сей-
смических областей Евразии//Поля напряжений и деформаций в литосфере М
1979 С 26—53
Джигаури Г М и др Ингурская плотина на р Ингури//Геология w
плотины 1980 Т 8 7—30 с
Евгеньев Н Е, Казарновский В Д Земляное полотно автомобиль-
ных дорог на слабых грунтах М, 1976 270 с
Емельянова Е П Современное состояние прогноза оползней и основ-
ные дискуссионные вопросы//Современные методы прогноза оползневого про-
цесса М, 1981 С 7—18
Золотарев Г С Вопросы инженерно-геологических исследований для
проектирования и строительства подземных сооружений в горно складчатых об-
ластях//!р Гидропроекта Вып 36 М, 1974 С 47—64
Золотарев Г С Инженерно-геологические проблемы ГАЭС//Тр Гидро-
проекта 1982 № 82 С 86—97
Золотарев Г С Инженерная геодинамика М, 1983 326 с
Золотарев Г С, Ерыш И Ф Проблемы инженерной геологии и за-
щиты Черноморского побережья и Горного Крыма//Инженерная геология 1985.
№ 2 С 61—71
Золотарев Г С, Олехова Л И Переработка берегов водохранилищ
сложного геологического строения и развитие методов прогйоза//Тр Гидропро-
екта Вып 48 М, 1976 С. 120—148
Золотарев Г С, Рагозин А Л Закономерности формирования скло-
нов Днестра и методика прогноза их переработки при нестационарном уровен-
ном режиме водохранилищ//Инженерная геология 1979 № 6 С 47—63
Золотарев Г С и др Макеты инженерно геологических карт горно-
складчатых областей для подземного и наземного строительства М, 1973 (ро-
тапринт)
Золотарев Г С и др Проблемы инженерной геологии ГАЭС и водо-
хранилищ с нестационарным уровенным режимом М, 1983 263 с
Иванов И П Инженерно геологические исследования в горном деле Л .
1987 253 с
Илюшин В Ф, Количко А В Влияние инженерно геологических фак-
торов на компоновочные и конструктивные решения подземных сооружений
378
конторно станционного узла Рогунской ГЭС//Тр Гидропроекта Вып 78 М,
1981 С 123—134
Инструкция и методические рекомендации по изучению инженерно геоло-
гических свойств боковых пород и прогнозу их устойчивости на угольных ме-
сторождениях М, 1982 93 с
Инструкция о составе, порядке разработки, согласования и утверждения
схем и проектов районной планировки и застройки городов, поселков и сельских
населенных пунктов ВСН 38 82 М, 1984 111 с
Инструкция по гидрогеологическому и инженерно геологическому обосно-
ванию горнодобывающих предприятий Минчермета СССР Белгород, 1983 95 с
Инструкция по изучению инженерно геологических условий месторождений
твердых полезных ископаемых при их разведке М, 1975 52 с
Каган А А Инженерно геологическое прогнозирование М, 1984 195 с
Кагаи А А, Кривоиогова Н Ф Многолетиемерзлые скальные осно-
вания сооружений Л, 1978
Кагаи М Л и др Токтогульская плотина на р Нарын//Геология и пло-
тины 1980 Т 8 С 30—45
КаякииВ В К вопросу методики построения инженерно геологических
моделей скального основания высоких плотин//Тр Гидропроекта 1977 № 50
€ 127—139
К а якин В В.Каякииа А И Модели фильтрационных свойств осно-
ваний высоких плотин//Тр Гидропроекта Вып 65 М, 1978 С 90—104
Квочии В А и др Исследование взаимосвязи процессов движения гор-
ных пород с возникновением горных ударов на Таштагольском руднике/уГорн.
журн 1981 № 2 С 45—48
Количко А В Инженерно геологические условия строительства плотины
Рогунской РЭС//Гидротехиическое строительство 1981 № 10
Коломенский Н В Общая методика инженерно геологических иссле-
дований М, 1968 338 с
Коломенский Н В Специальная инженерная геология М, 1969
Кондратьев Н Н Об особеиностяхр азвитня карбонатного карста в
районе строительства гидроузла Хадита//Тр Гидропроекта М, 1979 С 136—
148
Кондратьев Н Е, Григорьева О Т Прогноз береговых деформа-
ций на водохранилищах//Рекомеидации по размещению и проектированию вы-
пусков вод М, 1981 С 64—72, 192—214
Корольков Н М, Еремин В Л Путь и сооружения на горных же-
лезных дорогах М, 1968 331 с
Котлов Ф В Изменение геологической среды под влиянием деятельно-
сти человека М, 1978 262 с
КроиикЯ А.ОиикиенкоТ С Влияние процессов переформирования
берегов на эксплуатацию северных водохранилищ//Тр Гидропроекта 1980.
Вып 82 С 61—69
Кусковский В С Особенности формирования береговых склонов Крас-
ноярского и Саянского водохраиилищ//Тр Среднеаз НИИ геологии и мин сы-
рья «Экзогенные процессы и проблемы рац использования геологической сре-
ды» Ташкент, 1985 С 3—8
Кусковский В С и др Формирование берегов Красноярского водохра-
нилища Новосибирск, 1974 231 с
Куюиджич Бр Основы механики скальных пород Белград, 1977 (на
сербско хорватском яз )
Ленинград без иаводнений//С Агалаков, С Кураев Оптимальный вариант
Л, 1984 С 49—66
Леонов М П, Мазуров О С, Пирогов И А Красноярская плоти-
на на р Енисее//Геология и плотины 1967 Т 5 С 166—187
Ломтадзе В Д Специальная инженерная геология М, 1978 496 с
Ломтадзе В Д Инженерная геология месторождений полезных иско-
паемых Л , 1986 270 с
ЛыкошииА Г Современные методические принципы изучения карста в
связи с гидротехническим строительством//Тр Гидропроекта Вып 65 М, 1978.
С 74—80
379
Л ыкошин А Г Основные принципы методики проведения изысканий и
инженерно геологического прогнозирования//Тр Гидропроекта Вып 76 М,
1981 С 2—7
Марков Г А, Паносенко Г Д, Яковлев В И Прецизионные из
менения техногенных деформаций пород в Москве//Инженерная геология 1980
№ 4 С 110—116
Марков А И, Смульский П Я Инженерно геологические условия
строительства Богучанской ГЭС на р Ангаре//Гидротехническое строительство
1978 № 11
Методика инженерно геологических исследований высоких обвальных н
оползневых склонов/Под ред Г С Золотарева, М М Янича М, 1980 183 с
Методическое пособие по инженерно геологическому изучению горных пород/
/Под ред Е М Сергеева 2 е изд Т 1 Полевые методы Т 2 Лабораторные ме-
тоды М, 1984
Методическое руководство по инженерно геологической съемке масштаба
1 200 000 М , 1978 388 с
Методические рекомендации по инженерно геологическим изысканиям новых
железнодорожных линий и реконструкции существующих железных дорог М,
1976 235 с
Методические указания по составлению инженерно геологических карт М,
1966
Мироненко В А и др Устойчивость бортов и осушение карьеров М,
1982 162 с
Никитин В Н Основы инженерной сейсмики М, 1981 175 с
Ниязов Р А Формирование крупных оползней Средней Азии Ташкент,.
1982 156 с
Ниязов Р А и др Современные методы измерения напряжений, поро-
вого давления и движения оползня на глубине Ташкент, 1989 174 с
Новиков Н Ф, Румянцева А В Чиркейская плотина на р Судак//1
//Геология и плотины 1984 ТЭС 70—98
Окуджава В И Инженерно геологические явления в строящихся тунне-
лях Ингури ГЭС//Вестн Моск ун та Сер геол 1969 № 1
Оползни — исследование и укрепление/Под ред Р Шустера и Р Кризека
М, 1981 366 с
Опыт и методика изучения гидрогеологических и инженерно геологических
условий крупных водохранилищ/Под ред Г С Золотарева, Л С Соколова,
Е Г Чайковского М, 1959 Т 1 175 с 1961 Т 2 358 с
Опыт оценки устойчивости склонов сложного геологического строения ме-
тодом конечных элементов и экспериментами на моделях/Под ред Г С Золо-
тарева М , 1973 273 с
Осадчий Л Г, Бахтияров Р И Рогунский гидроузел на р Вахш//
//Гидротехническое строительство 1975 №4 С 10—13
Панюков П Н Инженерная геология М 1978 295 с
Парфенове Д, Савич А И, Фишман Ю А Методы определения
напряженного состояния скальных массивов на участках строительства гидро-
технических сооружений//Гидротехническое строительство 1984 № 2 С 15—191
Петухов Й М Линьков А М Механика горных ударов М, 1983
Перспективы подземной добычи руд на больших глубинах Сб Института
проблем комплексного освоения недр АН СССР 1985 204 с
ПечеркинИ А.ПечеркинА И Динамика закарствованных берегов
водохранилищ//Гидротехническое строительство 1981 № 3 С 38—43
Плотников Н И Условия возникновения прорывов воды через зону
сдвижения при разработке бокситовых месторождений Урала//Инженерная гео-
логия 1987 №2 С 51—55
Плотников Н И, Рогинец И И Гидрогеология рудных месторож-
дений М 1987
Портовое гидротехническое строительство и инженерные изыскания в бе-
реговой зоне моря М, 1986 169 с
Проблемы инженерно геологического картирования//Тр Всесоюзн симпозиу-
ма М, 1975
Прогноз экзогенных геологических процессов на Черноморском побережье
СССР/Под ред А И Шеко М, 1979 238 с
380
Пулявский Г. М и др Природные условия и формирование берегов во-
дохранилищ Сибири Новосибирск, 1977
Разумов Г А Подъем уровня подземных вод в прибрежной зоне водо-
хранилищ//Водные ресурсы 1984 № 6 С 41—47
Разумов В К, Бабаян X А Сопоставление и анализ прогнозируемых
и фактических инженерно геологических условий строительства гидротехническо-
го туннеля Арпа—Севан//Тр Гидропроекта Вып 78 М, 1981 С 99—122
Рац М В Структурные модели в инженерной геологии М, 1973 213 с.
Розовский Л Б, Зелинский И П Инженерно геологические прог-
нозы и моделирование Одесса, 1975 115 с.
Рекомендации по геокриологической съемке и районированию территорий для
размещения объектов нефтяной и газовой промышленности по стадиям проек-
тирования М, 1984 105 с
Рекомендации по изучению трещиноватости горных пород при инженерно-
геологических изысканиях для строительства (ПНИИИС) М, 1974
Рекомендации по определению состава и объема инженерно-геологических
изысканий для гидроэнергетического строительства Гидропроект П-822 84 М.,
1986 С 71
Рекомендации по производству опережающих исследований для строитель-
ства в районах распространения вечномерзлых грунтов М, 1986 85 с
Руководство по крупномасштабной инженерно-геологической съемке М,
1982 64 с
Руководство по инженерно-геологическим изысканиям для строительства
подземных гидротехнических сооружений Гидропроект П-771-82 М, 1984 53 с.
Савич А Н.КуюнджичБр и др Рекомендации по изучению напря-
женного состояния пород сейсмо акустическими методами Москва, Белград,
1986 80 с
Сергеев Е М Инженерная геология. М, 1982 С 248
Сергеев Е М Инженерная геология в СССР/'/Инженерная геология 1987.
№ 6 С 3—9
СНиП П 60-75 Планировка и застройка городов, поселков и сельских на-
селенных пунктов М, 1985 85 с
СлавнчС Б Шельф Освоение Использование Л, 1977 240 с.
СНиП II-7 8Ь Строительство в сейсмических районах М, 1982 49 с
СНиП 11 39-76 Железные дороги, колеи 1520 мм М, 1977 68 с
СНиП 11-02 01-83 Основания зданий и сооружений М, 1985 40 с
СНиП 2 06 09-84 Туннели гидротехнические М, 1|985 18 с
СНиП 2 05 06-85 Магистральные трубопроводы М, 1985 51 с.
СНиП 2 05 08-85 Аэродромы М, 1985 58 с.
СНиП 2 05 02-85 Автомобильные дороги М, 1986 51 с
СНиП 2 06 06-85 Плотины бетонные и железобетонные М, 1986 37 с.
СНиП 2 06 06 15-85 Инженерная защита территории от затопления и под-
топления М, 1986 19 с
СНиП 1-02-07 89 Инженерные изыскания для строительства М, 1986.
103 с
Смирнов? А, Грыз а А А Гидрогеологические изыскания на застроен-
ных территориях Киев, 1973
Создание опытной плотины методом взрыва на р Бурлыкия//Гидротехниче-
ское строительство 1977 № 5
Солоненко В П Сейсмогеологические условия зоны строительства
БАМа Иркутск, 1981 43 с
СолоненкоВ П ндр. Геология и сейсмичность зоны БАМ Новосибирск,
1985 191 с
Суханов Г К, Левитский М И Ангарский каскад гидростанций//
//Гидротехническое строительство 1978 № 4
Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах/Под ред.
В. В Ржевского Л, 1978 221 с.
ТиздельР Р О деформациях скальных оснований высоких плотин пос-
ле наполнения водохранилищ//Гидротехннческое строительство 1970 № 6.
С 19 25
381
ТиздельР Р Братская плотина на р Ангаре//Геология и плотины 1962,
Т 2 С 5—25
Тихвинский И О Оценка и прогноз устойчивости оползневых склонов
М, 1988 143 с
Толстых Е А, Клюкин А А Методика измерения количественных
параметров экзогенных геологических процессов М, 1984 117 с
Тржцинский Ю Б, Демьянович Н К Оползни ангарских водо-
хранилищ//Изучение берегов водохранилищ Сибири Новосибирск, 1977
Трофимов В Т Теоретические вопросы инженерно геологического рай-
онированияДВестн Моск ун та Сер геол 1979 № 1 С 64—76
Труды Гидропроекта, вып 78 Актуальные проблемы изысканий, проектиро-
вания и строительства гидротехнических туннелей большой протяженности М,
1981 160 с
Труды Всесоюзного научно технического совещания (Нарва, 1982) М, 1984
226 с
Турчанинов И А.ИофисМ А, Каспарян Э В Основы механики
горных пород Л, 1977 496 с
Ухов С Б, Г акиев Э Г, Л ыкошин А Г Построение инженерно-гео-
логических и геомеханических моделей массивов горных пород для решения ин-
женерных задач//Гидротехническое строительство 1981 № 3 С 25—28
Указания по производству инженерно геологических изысканий для строи-
тельства магистральных трубопроводов в районах распространения вечномерз-
лых грунтов РСН 36 70 М, 1971
Учебное пособие по инженерной геологии/Под ред Г С Золотарева М,
1989
ФерронскнйВ И и др Радиоизотопные методы исследования в инже-
нерной геологии и гидрогеологии М, 1977 301 с
Фисенко Г Л Устойчивость бортов карьеров и отвалов Л, 1965 373 с
Фисенко Г Л, Мироненко В А Дренаж карьерных полей М, 1972
183 с
Фисенко Г Л, Пустовойтова Т К, Кагермазова С В Мето-
дическое пособие по изучению инженерно геологических условий угольных ме
сторождений, подлежащих разработке открытым способом Л, 1986 112 с
Фисенко Г Л и др Укрепление откосов в карьерах М, 1974 205 с
Фишман Ю А О методике исследований сопротивляемости сдвигу бетон-
ных штампов на скальных основаниях//Тр Гидропроекта 1977 Вып 50
С 54-69
Фишман Ю А, Мирошникова Л С Опыт разработки и применения
инженерно геологических моделей в практике гидротехнического строительства//
//Инженерная геология 1984 №5 С 24—37
Фурутера К, Косэки М Строительство туннеля Дайситадзу (Япония)//
//Добоку сэко 1981 №22 С 11—18
Худайбергенов А М Инженерная геология городов правобережья
р Чирчика Ташкент, 1980 191 с
Ш аманская А Г, Егоров П В Соотношения тектонических элемен-
тов с полями современных нарушений в Горной Шории//Напряженное состоя
иие земной коры М, 1973 С 77—85
ШекоА И и др Современные геологические процессы на Черноморском
побережье СССР М, 1976 182 с
Шехтер Е Ю Методы исследования механических свойств грунта мор-
ского дна М, 1983 С 188
ШутовЮ И и др Комплексные изыскания при строительстве гидротун-
неля в карстовой области Горного Крыма Симферополь, 1971 214 с
Н u d е с L Inzenyrskogeologicke hodnoceni trasy NOS v useku Voznica-Hod-
ru5o//Inien -geol Sympoozmm Bratislava, 1984
Ma tula M et al Regional evaluation of rock mass conditions for pum-
pedstorage plants//Bull of the international Association of Engineering geology
Vol 31 Paris, 1985 P 89—94
Nevisky V Poznatky z pneskumu a geologickeho dozoru precerpavacey
vodney elektrarne Cierny Vah//Mineralia Slov 1985 N2 C 153—165
Wagner P Aktualne problemy inEinierskey geologie a hudrogeologie pri
riesent uboh stavebnictva//Mineralia Slov 1985 N 4
382
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие......................................................... 3
ГЛАВА I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИ-
ЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ .............................................. 6
§ 1. Стадии проектирования и изысканий. Нормативные документы 8
§ 2. Основные положения методики инженерно-геологических исследо-
ваний ..........................................................12
§ 3. Прогноз инженерно-геологических процессов; оценка массивов
пород и территории...............................................20 •
ГЛАВА П. ОБ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПОНЯТИЯХ . . 38
§ 1. Геологические и инженерно-геологические тела, массивы, элемен-
ты, геосистема и другие понятия...........................38
§ 2. Ииженерио-геологические карты и разрезы.....................45
§ 3. Инженерно-геологические модели........................53
ГЛАВА III. ОСОБЕННОСТИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ МЕТО-
ДОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ ИССЛЕДОВАНИИ 59
§ 1. Инженерно-геологическая съемка и картирование .... 60
§ 2. Документация, наблюдения и опробование при разведочных рабо-
тах с инженерно-геологическими целями...........................66
§ 3. Натурные фильтрационные и геомеханические исследования . 69
§ 4. Наблюдения за режимом подземных вод, экзогенными геологи-
ческими и иижеиерио-геологическими процессами .... 82
ГЛАВА IV. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ
ГРАДО- И ПРОМЫШЛЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА . . 93
§ 1. Иижеиерно-геологические процессы, задачи изысканий и оценка
территории города ............................................. 95
§ 2. Опыт и примеры инженерно-геологического изучения территорий
городов........................................................105
§ 3. Задачи и детальность инженерно-геологических изысканий иа раз-
ных стадиях градостроительства.................................128
ГЛАВА V. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ГИДРОТЕХНИ-
ЧЕСКИХ СООРУЖЕНИИ................................................135
§ 1. Иижеиерно-геологические исследования для гидроузлов . 137
Осложнения при строительстве и аварии плотин из-за недоучета
инженерно-геологических условий.............................137
Главные задачи инженерно-геологических изысканий для гидро-
узлов ......................................................141
Инженерно-геологические изыскания для обоснования. Схемы
комплексного использования рек..............................144
Изыскания иа стадии ТЭО.....................................148
Изыскания на стадии Проекта и рабочей документации . . 153
Изыскания для шлюзов и судоподъемников......................160
Возведение плотин и других сооружений гидроузла в особых
условиях....................................................161
§ 2. Йнженерио-геологические исследования при проектировании ГАЭС 165
Изыскания иа стадии ТЭО........................................170
Изыскания на стадии Проекта и рабочей документации . . 176
§ 3. Инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания в райо-
нах водохранилищ...............................................184
383
Подпор подземных вод и подтопление .......................188
Переформирование побережий водохранилищ ..................192
Мелководья и другие явления . . . 208
Инженерная защита берегов водохранилищ, земель и сооружений,
вопросы экологии .... . 210
Общие рекомендации по детальности инженерно-геологических
изысканий ... .... 214
§ 4. Инженерно-геологические изыскания для крупных каналов раз-
ного назначения..............................................218
Иижеиерно-геологические явления на каналах и их изучение 218
Опыт проведения изысканий по некоторым крупным каналам и
общие вопросы методики ............................... . 222
§ 5 Инженерно-геологические изыскания для портовых и берегоза-
щитных сооружений . . 234
Задачи и содержание изысканий для портового строительства и
освоения морских побережий . 234
Инженерно-геологические изыскания для проектирования и строи-
тельства берегозащитных сооружений и мероприятий . 240
ГЛАВА VI МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДО-
ВАНИИ ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИИ . . 245
§ 1 Инженерно-геологические явления при подземном строительстве
и опыт их изучения . . 246
§ 2 Задачи и методы инженерно геологических исследований 268
§ 3 Исследования на разных стадиях....................... . 276
ГЛАВА VII ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ
ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИИ ... . . 287
§ 1 Инженерно-геологические изыскания для проектирования новых
и реконструкции существующих автомобильных и железных дорог 288
§ 2 Инженерно-геологические изыскания для мостостроения 304
§ 3 Инженерно-геологические изыскания на трассах магистральных
трубопроводов и линий электропередач 317
§ 4. Иижеиерно-геологические изыскания при строительстве аэродро-
мов .............................. . . . . 322
ГЛАВА VIII ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ
РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗ-
НЫХ ИСКОПАЕМЫХ..................................... . . 326
§ 1 Общие положения и главные задачи исследований . 326
§ 2 Типы месторождений полезных ископаемых 330
§ 3 Инженерно (горио)-геологические явления при подземной и откры-
той разработках . . 335
§ 4 Вопросы и содержание исследований на разных стадиях и объ-
ектах ..... . 348
ГЛАВА IX НОВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ 362
Приложение Поиски и разведка месторождений строительных материалов
и подземных вод при комплексных изысканиях 374
Литература...................................................... 377