Прогнозирование или оценка обстановки во время возникновения чрезвычайных ситуаций при воздействии карстов

Карст не является элементарным процессом, а представляет собой совокупность физических и химических процессов, главными из которых являются растворение карстующихся пород и деформации этих пород и покровных отложений.

Карст развивается в масштабах геологического времени, и помимо растворения значительную роль в разрушении карстующихся пород играет выветривание и эрозия, т. е. процесс разрушения горных пород и почв водным протоком.

Поэтому, карст следует рассматривать как геологический процесс разрушения растворимых пород, сочетающий в себе растворение, выветривание и эрозию этих пород, и сопровождающийся формированием особого режима подземных вод, деформациями земной поверхности и образованием особого карстового рельефа.

Опасность карста определяется типами карста, разнообразными его проявлениями (поверхностными и подземными), а также типом, уровнем ответственности и конструктивными особенностями зданий и сооружений.

Аварии и повреждения сооружений на закарстованных территориях по их последствиям классифицируются следующим образом:

• 1. катастрофические разрушения (потеря общей устойчивости сооружения или основных несущих конструкций, приводящая к гибели людей или недопустимому заражению окружающей среды вредными химическими и радиоактивными веществами, пожарам и взрывам);
• 2. частичные разрушения и повреждения, приводящие к временному прекращению нормальной эксплуатации сооружений или интенсивному загрязнению окружающей среды;

3. повреждения, приводящие к существенному затруднению нормальной эксплуатации сооружений;

• 4. повреждения, которые могут при определенных условиях привести к временному затруднению нормальной эксплуатации сооружения;
• 5. повреждения, практически не приводящие к затруднению нормальной эксплуатации сооружения.

Характер опасности карста для различных типов сооружений и возможные последствия от воздействия карстовых процессов на сооружения представлены в таблице.

Центральным вопросом является прогнозирование карстовой опасности применительно к различным видам хозяйственной деятельности. Существует несколько видов «карстового риска», обусловленного:

• — недопустимо интенсивным загрязнением геологической среды (при эксплуатации полигонов захоронения отходов, на промышленных площадках, вдоль трасс автомобильных и железных дорог, нефтепроводов и т. д.);
• — вероятностью повреждений сооружений (провалами, оседаниями);
• -возможностью внезапных прорывов карстовых вод в горные выработки или непредвиденных осложнений при устройстве глубоких фундаментов;
• -недопустимыми утечками воды из водохранилищ, карстованием берегов водохранилищ.

Методы прогнозирования различных видов карстового риска принципиально отличаются друг от друга. Однако общим выходным параметром этих методов прогнозирования должна быть вероятность наступления той или иной негативной ситуации.

Отрицательное воздействие карста, в конечном счете, может приводить как к экономическому, так и к социально-экологическому ущербам (гибель или ухудшение здоровья людей и т. п.).

Поэтому на большинстве промышленных объектов располагающихся на закарстованных территориях, в условиях карстоопасности актуальным является непрерывный контроль (геомониторинг) за состоянием развития карста. К наиболее катастрофическим поверхностным проявлениям карста относятся:

• — провалы;
• — локальные оседания;
• — оседания на больших площадях;
• — карстовые (карстово-суффозионные) просадки.

Карстовым провалам часто предшествует вынос вышезалегающих пород в карстовые полости или трещиноватые зоны с частичным или полным их заполнением. Карстовые провалы представляют наибольшую опасность для большинства зданий и сооружений в силу следующих особенностей.

Визуальные признаки возможного провалообразования (трещины, просадки) чаще всего появляются в большинстве случаев лишь за несколько часов или минут до образования провала на земной поверхности или в основании сооружения;

Локальные оседания связаны с прогибом толщи грунтов над полостями и разуплотненными зонами в покровной толще, как и карстовые провалы, представляют серьезную опасность, хотя и несколько меньшую, чем карстовые провалы, в силу следующих их особенностей.

В период активного развития локальных оседаний вертикальная скорость оседания грунта может достигать нескольких сантиметров в сутки. Время формирования локального оседания может изменяться от нескольких дней до нескольких месяцев.

Карстовые оседания в большинстве случаев представляют значительно меньшую опасность для зданий и сооружений в сравнении с провалами и локальными оседаниями.

Характерными особенностями карстовых оседаний являются следующие:

• — формирование оседания продолжается более или менее постоянно в течение длительного времени (годы — десятки лет);
• — скорость оседания на разных участках мульды неравномерна и может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в год;
• — имеются периоды оживления и затухания оседания;
• — размеры оседания в плане могут достигать нескольких сотен метров;
• — в краевых частях оседаний, связанных с интенсивным растворением карстующихся пород и прогибом покровной толщи, формируются зоны разуплотненных с поверхности грунтов, благодаря которым облегчается инфильтрация поверхностных и атмосферных вод в грунт, что увеличивает вероятность карстово-суффозионных провалов.

В зоне оседаний помимо вертикальных деформаций имеются и горизонтальные деформации. Характерными особенностями карстовых (карстово-суффозионных) просадок являются:

• — чаще всего просадки образуются под действием статических и динамических нагрузок от сооружений и при длительном замачивании грунта;
• — карстовые просадки обычно не вызывая прогрессирующих разрушений зданий и сооружений, являются причинами образования трещин в стенах, перекоса конструкций;
• — в ряде случаев просадки предшествуют образованию провалов или локальных оседаний.

К карстово-суффозионным процессам относится образование провалов при обрушении карстовых полостей при прорыве подземных водонасыщенных песчано-глинистых грунтов в закарстованные толщи. Карстовые и карстово-суффозионные процессы развиваются в результате геологической деятельности подземных вод и относятся к опасным трудно прогнозируемым процессам.

Изучение современных провалов и понижений на закарстованных территориях, закономерностей их пространственного размещения, позволило установить основные условия и факторы развития карстово-суффозионных процессов.

Основные условия — это пассивные компоненты геологической среды, то есть та обстановка, которая сформировалась на протяжении длительной истории геологического развития района и не может быть заметно изменена на наших глазах (подземный карст), это:

• -наличие интенсивно закарстованных пород;
• -наличие рыхлых покровных отложений, неустойчивых по отношению к различным фильтрационным деформациям (образований плывунов, т. е. водонасыщенные грунты; суффозии, т. е. вынос мелких минеральных частиц и растворенных веществ водой; и др.);
• -приуроченность участка к зонам тектонических нарушений или другим ослабленным зонам.

Активизация карстового процесса на современном этапе тесно связана с хозяйственной деятельностью человека и, в частности, с нарушением естественной гидродинамической и гидрохимической обстановки.

Исходя из этого, несомненным является то, что карстовый массив является геологической системой, обладающей конкретной структурой (набором элементов и их взаимодействий), имеющей пространственно-временной характер. Как и все геологические системы, карстовый массив — динамичная система, поскольку его структура не является жесткой, не меняющейся со временем. В зависимости от эволюционного этапа данная система может находиться в состоянии равновесия (установившегося режима), быть консервативной (захороненной) или активной (приповерхностной, открытой).

Учитывая разнообразие геологических, гидрогеологических, климатических и других обстановок, отметим, что массивы растворимых пород находятся в неоднозначных условиях. В пределах конкретного массива, условия образования и развития карста можно принять постоянными в течение длительного времени.

Однако и здесь, на фоне общих условий происходят локальные изменения, связанные с влиянием на процесс карстообразования тех или иных факторов. Поэтому при расположении на закарстованных территориях потенциально экологически опасных объектов вероятность возникновения экологических катастроф и бедствий в значительной степени увеличивается. Это обстоятельство следует учитывать на всех стадиях эксплуатации зданий и сооружений.

Условием надежной эксплуатации потенциально экологически опасных объектов на карстоопасной территории должно быть проведение геомониторинга с целью обеспечения оперативными (пространственно-временными) прогнозами реальной карстовой опасности для разработки мер по предупреждению экологических катастроф или бедствий при воздействии карстовых деформаций.

Следовательно, цель геомониторинга — обеспечение информацией о существующем и возможном проявлении опасных карстовых процессов для обоснования мероприятий по предотвращению или ослаблению их негативных последствий, рациональному и экологически безопасному использованию ресурсов закарстованных территорий.