учебное пособие. Основы инженерной геологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
5.3. Природно-технические и литотехнические системы Комплексный анализ региональных геологических и техногенных факторов определяет такие понятия, как природно-техническая система и литотехническая система. Природно-техническая система – это целост- ная упорядоченная в пространственно-временном отношении совокуп- ность природных и техногенных элементов, функционирующих как еди- ная система. Литотехническая система – это: 1) часть природно- технической системы, включающая объекты техносферы и взаимодей- ствующую с ними верхнюю часть литосферы; 2) система инженерно- технических сооружений или объектов с частью геологической среды в зоне их непосредственного влияния. По уровню организации В.Т. Трофимов (2007) и Т.И. Аверкина выде- ляют литотехнические системы: 1) элементарные – включают единичные сооружения с частью инженерно-геологического массива в зоне его вли- яния; 2) локальные – представляют комплекс элементарных литотехниче- ских систем; 3) региональные – объединяют комплекс локальных лито- технических систем конкретного региона: а) градопромышленные – включают серии городов и промышленных комплексов с их инфраструк- турой; б) горнотехнические – приурочены к районам разработки место- рождений полезных ископаемых; в) нефтепромысловые – включают объ- екты нефтепромыслов и их инфраструктуру; г) гидромелиоративные – приурочены к районам искусственного орошения или осушения; 4) гло- бальные – объединяют комплекс региональных литотехнических систем. 5.4. Инженерно-геологическое районирование территорий Инженерно-геологическое районирование – это выделение террито- рий с достаточно однородными или общими инженерно-геологическими признаками. Схема последовательности районирования была предложена И.В. Поповым: регион – область – район – подрайон. Общая схема по- следовательности районирования, основанная на системном учете регио- нальных и зональных геологических факторов, представена в следующем виде: регион – провинция – зона – подзона – область – район – подрай- он – участок – элемент (Трофимов, 2007, с. 204). Инженерно-геологические регионы выделяются по структурно- тектоническому признаку. В их геологическом строении участвуют несколь- ко структурных этажей, каждый из которых сложен определенным набором 66 формаций. К инженерно-геологическим регионам 1-го порядка относятся тектонические структуры 1-го порядка, т.е. платформы и орогены. К инже- нерно-геологическим структурам 2-го порядка относятся тектонические структуры 2-го порядка (например, щиты, синеклизы и антеклизы на плат- формах). Выделяются инженерно-геологические регионы 3-го порядка. Инженерно-геологические провинции выделяются в зависимости от типа горных пород, слагающих территорию регионов, например: провин- ция распространения горных пород с жесткими связями, без жестких свя- зей и т.д. Возможно выделение подпровинций, – например: территория провинции сложена преимущественным распространением горных пород с жесткими связями, локально перекрытым маломощным чехлом дис- персных грунтов, или распространением горных пород с жесткими свя- зями, перекрытыми горными породами без жестких связей и т.д. Инженерно-геологические зоны и подзоны обособляются по характеру современного состояния горных пород верхней части разреза отложений. В.Т. Трофимов выделяет три типа инженерно-геологических зон, каждая из которых состоит их двух инженерно-геологических подзон: 1) практически сплошного распространения многолетнемерзлых горных пород, подзоны: а) практически сплошного распространения многолетнемерзлых горных по- род; б) распространения ледников и многолетнемерзлых горных пород; 2) совместного распространения многолетнемерзлых и талых горных пород, подзоны: а) массивно-островного и островного распространения многолет- немерзлых горных пород; б) редко островного распространения многолет- немерзлых горных пород; 3) распространения талых и немерзлых горных пород, подзоны: а) развития сильноувлажненных горных пород; б) развития слабо- и умеренноувлажненных горных пород. Инженерно-геологические области выделяются по геоморфологиче- ским признакам. По геологическому строению они представлены одним структурным этажом, сложенным одной геологической формацией. Ин- женерно-геологические области могут быть 1, 2 и 3-го порядков. Внутри инженерно-геологических областей выделяются инженерно- геологические районы, которые имеют однородное геологическое строе- ние и сложены горными породам одного геолого-генетического комплек- са. Если возникает необходимость, то внутри инженерно-геологического района выделяются инженерно-геологические подрайоны. Последние отличаются состоянием горных пород, развитием локальных геологиче- ских процессов и другими признаками. При крупномасштабном инже- нерно-геологическом картировании внутри подрайонов выделяются ин- женерно-геологические участки, в пределах которых могут выделяться инженерно-геологические элементы. 67 5.5. Региональное инженерно-геологическое прогнозирование В современной региональной инженерной геологии важной задачей является разработка инженерно-геологических прогнозов. Инженерно- геологические прогнозы – это научно обоснованные предвидения про- странственно-временных изменений природных и природно-технических литосистем или их компонентов. Классификация инженерно-геоло- гических прогнозов дана в табл. 5.5.1. Т а б л и ц а 5.5.1 Классификация инженерно-геологических прогнозов (Трофимов, 2007) Харак- тер оценок Отношение ко времени Отношение к пространству Охват инженерно- геологических условий К а ч е с т в е н н ы е Безотносительные ко времени Локальные Общие Частные Региональные Общие Частные Глобальные Общие Частные Бессрочные Локальные Общие Частные Региональные Общие Частные Глобальные Общие Частные Срочные Локальные Общие Частные Региональные Общие Частные Глобальные Общие Частные К ол ичест венны е Безотносительные ко времени Локальные Общие Частные Региональные Общие Частные Глобальные Общие Частные Срочные Локальные Общие Частные Региональные Общие Частные Глобальные Общие Частные 68 В соответствии с классификацией (табл. 5.5.1) инженерно- геологические прогнозы по характеру оценок делятся на качественные и количественные. В зависимости от времени прогнозы подразделяются на три категории: 1) безотносительные ко времени – качественные прогно- зы механизмов каких-либо процессов (например: расчетные прогнозы осадок фундаментов, устойчивости склонов и т.п.); 2) бессрочные – каче- ственные прогнозы, которые дают возможность предсказать тенденцию изменения во времени каких-либо составляющих инженерно- геологических условий или геологической среды в целом без количе- ственной оценки (исключение составляют некоторые прогнозируемые параметры, которые могут выражаться в количественной форме, напри- мер: как изменится пораженность территории под влиянием тех или иных процессов и др.); 3) срочные – это качественные прогнозы, которые дают оценку изменений инженерно-геологических условий или их отдельных компонентов на заданный срок (например, расчет величины переработки берегов водоемов на 10 или 25 лет и др.). В зависимости от размеров территорий инженерно-геологические прогнозы делятся на: 1) локальные – прогнозы оценивают только отдель- ные массивы или зоны влияния сооружений или групп сооружений; 2) региональные – прогнозы распространяются на некоторую террито- рию, ее границы определяются целевым назначением; 3) глобальные – прогнозы охватывают континенты. Выделяются прогнозы: а) общие – дается прогнозируемая оценка инже- нерно-геологической обстановки района в целом с полным охватом инже- нерно-геологических условий; б) частные – оценка прогноза разделяется на отдельные составляющие инженерно-геологических условий. Для разработки инженерно-геологических прогнозов используются следующие методы: 1) природных (геологических) аналогий: а) сравни- тельно-геологический метод даст качественные прогнозы, основан на экс- пертных оценках закономерностей эволюции инженерно-геологи-ческих условий территорий; б) метод аналогий основан на сравнительном анализе с выбранной хорошо изученной территорией со сходными инженерно- геологическими условиями; 2) физического моделирования – поведение геологических объектов изучается на физических моделях в натуральных условиях, в лабораториях или на опытных стендах; модели могут быть из естественных горных пород или искусственных материалов; 3) математи- ческого моделирования – используются динамические, структурные, веро- ятностные и комбинированные математические модели. Качество инженерно-геологических прогнозов определяется их до- стоверностью. Дальнейшее повышение качества региональных инженер- 69 но-геологических прогнозов связано с совершенствованием методов про- гнозирования и эффективного использования регионального инженерно- геологического мониторинга. 5.6. Региональный инженерно-геологический мониторинг и геоинформационные системы Инженерно-геологический мониторинг (литомониторинг) – это си- стема наблюдений, оценки, прогноза и управления состоянием природ- ных и природно-технических литосистем (Трофимов, 2007). Структурная схема инженерно-геологического мониторинга (литомониторинга) состо- ит из следующих частей: 1) блок контроля. Его главная задача – контроль за состоянием геологической среды в природно-технических литосисте- мах, за строительством и работой защитных сооружений; 2) блок управ- ления (связан с блоком контроля каналами связи через передачу инфор- мации), в функции которого включены: а) решение оптимизационных задач и выработка инженерно-геологических рекомендаций; б) осу- ществление инженерной защиты; 3) автоматизированная информацион- ная система связана с блоком управления. Ее главные задачи: а) хранение и поиск режимной информации; б) целенаправленная ее обработка и оценка; в) выполнение перманентных прогнозов; г) решение оптимиза- ционных задач; 4) система инженерной защиты с блоком управления. Эффективность функционирования инженерно-геологического мони- торинга может быть повышена за счет привлечения ГИС-технологий. ГИС – географическая информационная система, которая базируется на современной многофункциональной компьютерной технологии картиро- вания и анализа пространственных объектов (сбор, хранение, анализ и мо- делирование информации). В современной региональной инженерной гео- логии на основе ГИС решаются следующие задачи (Трофимов, 2007): 1) справочно-информационные задачи; 2) подбор систем-аналогов; 3) типизация, классификация и районирование инженерно-геологических структур; 4) динамические задачи – оперативное отслеживание изменений состояния природных и природно-технических систем и их компонентов. 5.7. Инженерно-геологические особенности территории Российской Федерации и сопредельных регионов В материале, приведенном ниже, в очень краткой форме отражены главнейшие инженерно-геологические особенности территории РФ и 70 сопредельных регионов, рассматриваемые на тектонической основе (по типам глобальных тектонических структур первого и второго порядков) и преимущественно те из них, которые осложняют хозяйственное освоение районов. 5.7.1. Щиты древних платформ К щитам древних платформ относятся Балтийский и Украинский щи- ты Русской платформы, Алданский и Анабарский щиты Сибирской платформы. Они сложены массивами скальных и полускальных горных пород докембрийского возраста. Редко встречаются отложения осадочно- го чехла. Развита разрывная и трещинная тектоника. Подземные воды – трещинного и трещинно-жильного типа. Грунты отличаются высокой прочностью и могут служить основаниями любых сооружений. Ослож- нения при хозяйственном освоении связаны с выветриванием горных пород, зонами разломов, возможен карст в отложениях осадочного чехла. Балтийский щит занимает Карелию и Кольский полуостров. Часть Кольского полуострова сложена горной системой с максимальными от- метками до 1 200 м. В горах развиты снежные лавины. Выделяются тунд- ра, лесотундра и лесная зоны. Большая часть щита входит в зону избы- точного увлажнения с сезонным промерзанием. При отработке место- рождений полезных ископаемых в горных выработках могут возникать горные удары, связанные с напряженным состоянием массивов горных пород в неотектонических зонах. Украинский щит расположен в юго-западной части Русской плат- формы. Прочность скальных грунтов, слагающих приповерхностную часть щита, зависит от степени выветрелости и трещиноватости. Специ- фическая особенность территории – повсеместное развитие коры вывет- ривания мощностью до 10–40 до 100 м. Выделяется зона недостаточного увлажнения. Алданский и Анабарский щиты. Прочность скальных грунтов, сла- гающих физическую поверхность щитов, снижается в тектонических зо- нах. Имеет место развитие карста. Выделяются зоны многолетнемерзлых горных пород. 5.7.2. Щиты молодых платформ Щиты молодых платформ имеют сходные черты с щитами древних платформ. Более сложной из них является гидрогеологический режим. 71 В качестве примера можно рассмотреть Казахстанский щит, располо- женный между Аральским морем и долиной р. Иртыша. В пределах этого щита широко развита кора выветривания на мезокайнозойских горных породах, распространены засоленные грунты и лессовые горные породы. Выделяются ландшафтно-климатические зоны – лесостепная, степная и полупустынная. 5.7.3. Плиты древних платформ К ним относятся плиты Русской и Восточно-Сибирской платформ. Сложены они отложениями платформенного чехла, залегающими субго- ризонтально. Рельеф представлен равнинами. Из геологических процес- сов и явлений в этих структурах развиваются карст, оползневые, эоловые и эрозионные процессы, встречаются плывуны. Наблюдаются суффозия, явления заболачиваемости. Гидрогеологический режим территорий сложный. В площади Русской платформы с севера на юг выделяются следую- щие зоны: тундры, лесотундры, лесная, лесостепная, степная и зона пу- стынь и полупустынь (Прикаспийская низменность). Выделяются также зоны различного увлажнения. Для плиты Восточно-Сибирской платформы характерны широкое раз- витие многолетнемерзлых горных пород и сопровождающие их мерзлот- но-геодинамические, а также оползневые процессы. 5.7.4. Плиты молодых платформ Плиты молодых платформ (примером их является Западно-Сибирская плита) характеризуются широким развитием несвязных грунтов кайно- зойского возраста. Они имеют высокую сжимаемость. Развиты процессы выветривания, мерзлотные, заболачивания, оползневые, а также осыпи, суффозия, оплывание тонкодисперсных грунтов. В пределах Западно-Сибирской плиты выделяют 4 зоны: 1) Заполяр- ная – сплошного развития многолетнемерзлых горных пород; 2) Север- ная – прерывистого распространения многолетнемерзлых горных пород; 3) Центральная – сильного увлажнения и высокой заболоченности; 4) Южная – умеренного и слабого увлажнения с частым развитием лессо- вых грунтов. Туранская плита занимает центральную и западные части Казахста- на и Средней Азии до восточного побережья Каспийского моря. Имеет 72 крупные массивы эоловых песков, мощностью до 30–40 м (пустыни Ка- ракум и Кызылкум). Скорость движения барханов в них достигает 30– 35 м/год. Широко развиты солончаки и лессовые грунты. В регионе про- изошло несколько крупных экологических катастроф (бассейн Амуда- рья–Сырдарья–Арал, Каракалпакия). При эксплуатации искусственных оросительных систем происходили большие потери воды в связи с их фильтрацией, в результате чего активно развивалось заболачивание тер- риторий и засоление почв. 5.7.5. Горно-складчатые области Уральская горно-складчатая область. Для Уральской горно- складчатой области характерны: широкое и многократное развитие кор выветривания разного возраста, карст в карбонатных толщах, высокая обводненность горнодобывающих предприятий, в северных широтах – мерзлотные процессы, солифлюкция и повсеместно – лавинные явления. Алтае-Саянская горно-складчатая область. На ее территории нахо- дятся уникальные инженерные гидротехнические сооружения. 1. Саяно-Шушенская ГЭС является одной из самых мощных в мире. Ее бетонная арочно-гравитационная плотина высотой 242 м опирается на ороговикованные кристаллические сланцы и держит напор воды высотой 220 м. Объем водохранилища составляет около 31,4 км 3 . Экологическими последствими возведения Саяно-Шушенской ГЭС являются изменения микроклимата и заболачивание берегов водохранилища. 2. Красноярская ГЭС. Ее гравитационная плотина весом 15 млн т опи- рается на трещиноватые граниты, которые «залечивались» методами тех- нической мелиорации. Удерживающий напор воды достигает 101 м, площадь водохранилища 2 000 км 2 , объем составляет около 73,5 км 2 . Со- оружение такого гигантского искусственного моря в центре Сибири за- метно ухудшило климатические условия средней и южной частей Крас- ноярского края. Возможны и другие экологические проблемы (подтопле- ние и заболачивание территории и т.д.). Территория горно-складчатой области в целом характеризуется раз- нородными и сложными инженерно-геологическими условиями. В раз- ных ее частях развиты мерзлотные процессы, карст, активна склоновая эрозия, отмечаются эоловые процессы. Выделяются зоны повышенной сейсмичности с землетрясениями разной силы (до 6 баллов). Забайкальская горно-складчатая область обладает уникальным природным богатством – оз. Байкал. Для области в целом характерны следующие особенности: 1) широкое развитие многолетнемерзлых гор- 73 ных пород; 2) высокая сейсмичность отдельных территорий до 6–10 бал- лов, требующая использования антисейсмических конструкций в строи- тельстве; 3) большая заболоченность межгорных равнин; 4) в горах часто проявляются гравитационные склоновые процессы; 5) широкое развитие снежных лавин и селей. |