Рекомендации по геофизическому исследованию закарстованности территорий, предназначенных для строительства - файл n1.doc

Рекомендации по геофизическому исследованию закарстованности территорий, предназначенных для строительства
Скачать все файлы (417 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc417kb.04.02.2014 01:41скачать

n1.doc

  1   2   3
ГОССТРОЙ РСФСР

РОСГЛАВНИИСТРОЙПРОЕКТ
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ТРЕСТ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗЫСКАНИЙ


РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ГЕОФИЗИЧЕСКОМУ ИССЛЕДОВАНИЮ
ЗАКАРСТОВАННОСТИ ТЕРРИТОРИЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ
ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА


Москва - 1971

Настоящая работа выполнена отделом нормативно-методологических работ и новой техники ЦТИСИЗ на основании тематического плана, утвержденного Ростлавниистройпроектом Госстроя РСФСР.

Рекомендации составил гл. специалист В.В. Лисицын.

В работе использованы фондовые материалы ЦТИСИЗа, а также рекомендации ПНИИИСа по инженерно-геологическим изысканиям и оценке территорий для промышленного и гражданского строительства в карстовых районах СССР.

ВВЕДЕНИЕ

Карстовые процессы широко развиты на территории нашей страны, в том числе на площадях, где проводят свою работу тресты инженерно-строительных изысканий. Инженерно-геологические изыскания в районах развития карста имеют свои специфические особенности. В нормативных документах (СН 211-62, СН 225-62) подчеркивается, что в районах проявления карста рекомендуется инженерно-геологическую съемку сопровождать геофизическими исследованиями.

В настоящее время геофизические исследования применяются практически всеми трестами, в связи с чем возникла настоятельная необходимость более подробно осветить методику геофизических работ на карст, которая включает выбор наиболее рационального комплекса методов, состав работ, цели и задачи и т.д.

Тесно связана с методикой исследования карста и карстующихся пород методика поисков и оконтуривания искусственных пустот (выработок), а также определение трещиноватости.

К настоящему времени опубликовано более 200 работ, касающихся геофизических исследований на карст.

Первые опыты по изучению карста геофизическими методами относятся к началу 30-х гг. нашего столетия (Zohnberg A. Und Stern). Особенно большое внимание изучению карста было уделено в СССР в связи с огромным строительством в период первых пятилеток. В 1933-1935 гг. по инициативе проф. А.А. Петровского были выполнены значительные теоретические и лабораторные исследования по обоснованию возможности применения методов электроразведки для изучения карста и трещиноватых пород Кизеловского буроугольного бассейна. Одновременно проводились полевые работы в различных районах СССР (Заволжье, Донбасс, Мосбасс и др.) Во всех случаях результаты были положительные.

Теоретические в экспериментальные работы подтвердили целесообразность применения электроразведки, в частности, электропрофилирования и электрозондирования для поисков и оконтуривания закарстованных зон и трещиноватых пород.

Позже вопросами применения электроразведки для изучения карста и трещиноватости пород занимались А.А. Огильви, А.С. Семенов, В.К. Матвеев, А.М. Горелик, В.С. Барков и др. [1, 2, 5, 6, 11, 12, 14, 16].

Положительные результаты при разведке карста в сочетании с относительно высокой производительностью полевых работ обеспечили доминирующее положение электроразведки постоянным током.

После организации трестов инженерно-строительных изысканий в 1968 г. геофизические исследования на карст стали широко применяться при инженерно-геологических изысканиях. В настоящее время в трестах накоплен обширный материал по применению геофизических методов для изучения карста, поисков и оконтуривания старых горных выработок, поисков трещинно-карстовых вод и решения других задач, тесно связанных с карстовыми процессами. В частности, Центральным трестом были выполнены электроразведочные работы для поисков и оконтуривания карстовых зон в микрорайонах 1 и 2 г. Гусь-Хрустальный, при определении зон возможных карстовых провалов в районе строительства ДСК в г. Коломне и т.д.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Согласно действующим нормативным документам к карстовым районам относятся территории, в геологическом разрезе которых присутствуют растворимые породы (известняки, доломиты, мел, гипсы, ангидриты и т.д.), и имеют место или возможны поверхностные и подземные проявления карста.

Выделяются следующие основные литологические типы карста: карбонатный (известняковый, доломитовый); меловой (являющийся подтипом карбонатного); гипсовый; соляной.

С точки зрения постановки геофизических работ литология карста существенного значения не имеет. На всех литологических типах карста методика проведения геофизических работ примерно одинакова.

Более существенное влияние на методику работ оказывают условия залегания карстующихся пород. По условиям залегания различают следующие типы карста:

открытый или средиземноморский, когда карстующиеся породы лежат непосредственно на поверхности;

покрытый, когда карстующиеся породы перекрыты либо водопроницаемыми, либо водонепроницаемыми нерастворимыми породами.

В случае открытого карста обнаженность карстующихся пород способствует проникновению в них поверхностных вод, развитию процессов выветривания и выщелачивания, образованию и расширению системы трещиноватости.

Благодаря неглубокому залеганию карстующихся пород облегчается производство геофизических работ, повышается их эффективность. Решение задачи может быть проведено более простыми и распространенными методами, часто с помощью одной только электроразведки постоянным током. В случае открытого карста практически легко оконтуриваются закарстованные участки, устанавливается общая мощность карстующихся пород, степень трещиноватости и обводненности массива пород.

В районах покрытого карста, в которых карстующиеся породы перекрыты слоями нерастворимых водопроницаемых пород, возникают трудности обнаружения зон возможных карстовых провалов с помощью геофизических методов при значительной мощности перекрывающих четвертичных отложений (более 20 м). Однако задача обнаружения может облегчаться за счет вторичных изменений вышележащих пород.

В случае наличия перекрывающих рыхлых отложений (пески, супеси) в зоне развития карста возникают побочные суффозионные явления, мощность их нередко возрастает вследствие понижения кровли карстующихся пород. Кроме того, существенным поисковым критерием является уменьшение влагосодержания рыхлых пород непосредственно над карстовой зоной, что влечет за собой повышение УЭС этих пород. Последнее обстоятельство связано с интенсивной инфильтрацией поверхностных вод в карстовые полости.

Другим существенным поисковым критерием для геофизических методов является резкий перепад УГВ в зоне развития карста. В районах покрытого карста, в которых карстующиеся породы перекрыты слоями нерастворимых водонепроницаемых пород, последние препятствуют развитию карста и связанных с ним явлений.

Чем больше мощность перекрывающих отложений, тем труднее установить геофизическими методами зоны карстовых пустот, развитые на глубине. В этом случае необходимо проведение широкого комплекса геофизических методов, включающих электроразведку, сейсморазведку и различные методы каротажа (КС, ПС, резистивиметрия, ГК, ГГК и др.).

По отношению к уровню подземных вод карстующиеся породы залегают: в зоне аэрации, в зоне постоянного водонасыщения и в смешанной зоне.

В зоне аэрации карст в большинстве случаев представлен в виде полостей, незаполненных вмещающим материалом; в зоне же постоянного водонасыщения карстовые полости часто заполнены вторичным переотложенным материалом (глиной, суглинком, продуктами разрушения карстующихся пород, находящимися в водонасыщенном состоянии).

Геофизические методы исследования в карстовых районах решают следующие основные задачи:

литологическое расчленение пород;

поиски и оконтуривание карстовых полостей или зон их развития (поверхностных и погребенных), определение рельефа карстующихся пород;

изучение степени трещиноватости пород и преобладающего его направления;

исследование гидрогеологических особенностей карста.

Для поисков и обнаружения карстовых полостей может быть использовано большинство существующих геофизических методов: электроразведка постоянным и переменным током, малоглубинная сейсморазведка, гравиразведка с градиентометрами, магнитометрия, различные скважинные методы. Однако применение ряда геофизических методов, таких как гравиразведка и магнитометрия, может быть рекомендовано лишь в благоприятных случаях.

В большинстве районов использование гравиметрии и магнитометрии ограничено по тем соображениям, что разрешающая способность этих методов весьма незначительна.

Крупные карстовые полости (пещеры), размеры которых соизмеримы с мощностью перекрывающих пород, могут быть обнаружены гравиразведочными наблюдениями с использованием высокоточных гравиметров. Карстовые же полости, заполненные вторичным материалом, слабо улавливаются гравиразведкой ввиду незначительного перепада плотностей вмещающих пород и карстовых образований.

Расчеты, проведенные В.К. Матвеевым [8, 9, 10] показывают, что сферические пустоты радиусом 5 м при современной точности гравиметрических измерений с гравиметрами могут быть обнаружены на глубине около 7 - 8 м (градиентометры повышают эту глубину до 10 - 15 м, но при этом резко падает производительность работы).

Что касается магниторазведки, то последняя применима лишь в том случае, когда в составе материала, заполняющего карстовые полости, встречаются различные минералы с повышенной магнитной восприимчивостью, а сами полости расположены на небольшой глубине.

2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОСТАНОВКИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ НА КАРСТ

По своим физическим характеристикам (удельное электрическое сопротивление, скорость распространения упругих волн, плотность и т.д.) зоны карстующих пород существенно отличаются от вмещающих пород, незатронутых карстовыми процессами. Эти отличительные особенности тем больше, чем интенсивнее карстовые процессы, чем больше карстовые полости и чем резче они отличаются по своему физическому состоянию от окружающих пород (незаполненные карстовые полости). В противном случае физическая дифференциальность значительно сглаживается и выявлять и оконтуривать карстовые зоны становится затруднительно.

Известно, что особенно благоприятны для развития карста участки тектонических поднятий с малой мощностью покровных отложений, склоны современных и древних речных долин, участки, в разрезе которых гипсо-ангидритовые отложения перекрываются трещиноватыми карбонатными породами и, напротив, затрудняет развитие карста наличие перекрывающих водонепроницаемых глинистых пород (глины, мергели, алевролиты) значительной мощности.

Геофизические методы исследования на карст могут выполнять как прямую задачу поисков и оконтуривания карстовых образований (воронок, западин, понор и т.д.), так и косвенную - изучение общей геолого-гидрогеологической обстановки карстового района, определение мощности и состава покровных образований, изучение трещиноватости карстующегося массива, определение рельефа карстующихся пород и т.д.

Таким образом, задачи исследования карста геофизическими методами приобретают широкий и разнообразный характер. В настоящее время уровень геофизических исследований в методическом, техническом и теоретическом плане существенно возрос, поэтому их следует считать ведущими методами при изучении карста. При этом постановка геофизических работ должна тесно увязываться с обычными методами инженерно-геологических исследований (съемка, бурение). Комплекс инженерно-геологической съемки и геофизических исследований позволяет более уверенно и качественно проводить оценку закарстованных территорий.

Электроразведка

Первые теоретические и модельные работы по электроразведке карста показали, что отдельные карстовые полости могут быть отмечены только в том случае, если максимальные поперечные размеры по горизонтали равны или превышают глубину залегания полостей. Исследования проводились в однородном электрическом поле постоянного тока. В дальнейшем эти выводы были подтверждены расчетами по формулам А.И. Заборовского [7] для шара в поле точечных источников.

На основании теоретических и модельных работ Б.К. Матвеев и А.А. Огильви [9, 13] сформулировали следующие важные положения для методики электроразведки карста:

1) карстовые полости, залегающие выше уровня подземных вод, отмечаются на графиках электропрофилирования максимума, а ниже - минимума кажущихся сопротивлений;

2) вероятность выделения и тех и других почти одинакова при условии, что поперечные размеры полостей по горизонтали равны или превышают глубину их залегания;

3) величина аномалий зависит от целого ряда факторов: глубины залегания полостей, их горизонтальных размеров, мощности проводящих наносов, соотношений УЭС полости и вмещающих пород, а также от размеров и вида установок.

На рис. 1 приводятся зависимости величин аномалии (h) от разносов установок профилирования при различных глубинах залегания центра сферы h [3]. Указанные зависимости получены в отсутствие промежуточного слоя. Для комбинированного и симметричного профилирования с увеличением разносов значения аномалий очень резко возрастают, а затем медленно приближаются к асимптотическому значению, соответствующему величине аномалии в однородном поле; при h =1,2 асимптотические значения практически достигаются при разносах, равных 2. При наличии промежуточного слоя в виде проводящих наносов величина аномалии кажущегося сопротивления значительно уменьшается.



Рис. 1. Зависимость аномалии h от разносов АО при различных глубинах сферы

На рис. 2 показаны кривые симметричного электропрофилирования, полученные расчетным путем для случаев, когда шар залегает в среде, покрытой наносами (сплошная кривая), и без них (пунктирная кривая). Уменьшение амплитудных значений кажущихся сопротивлений над средой с наносами составляет 26,5 %.



Рис. 2. Кривые симметричного профилирования над шаром в присутствии промежуточного слоя

а) проводящий шар (r2>r3);

б) непроводящий шар (r2<r3)

Для симметричного профилирования надежные результаты получаются только при разносах линии АВ, в 8 раз превышающих мощность наносов; при дипольном профилировании расстояние между диполями примерно в 5 раз превышает мощность перекрывающих отложений. Задача электроразведки по выявлению погребенных карстовых форм облегчается за счет вторичных явлений, сопутствующих образованию карстовых нарушений, которые могут протекать как в вышележащих так и в нижележащих образованиях. В вышележащих породах могут образовываться прогибы и оседания отдельных слоев с возникновением вертикальных трещин.

В толще рыхлых отложений, перекрывающих карстующиеся породы, непосредственно в окрестностях развития карстовых процессов наблюдаются резкие изменения гидрогеологического режима, что сильно влияет на величину УЭС рыхлых отложений в значительно более широкой зоне, чем участок, непосредственно охваченный карстовыми процессами. Данный признак позволяет выделять карстовые зоны, расположенные на значительно большей глубине, чем это допускают приведенные выше теоретические расчеты.

Таким образом, весь объем пород над карстовой полостью характеризуется измененной структурой, что существенно облегчает поиски и оконтуривание карстовых зон с установками меньших размеров. Последнее обстоятельство особенно важно в условиях работы на застроенных территориях.

Сейсморазведка

Плотность пород тесно связана с их упругими свойствами, которые могут быть положены в основу при изучении карстовых образований сейсморазведочными методами.

С помощью сейсморазведки можно определить глубину залегания и мощность закарстованной толщи, выделить наиболее разрушенные зоны и проследить их простирание.

Если карстовая полость расположена в коре выветривания коренных пород, сейсморазведкой она может быть обнаружена по совокупности признаков [4]:

1) над карстовой полостью значения средней скорости упругих волн существенно уменьшаются;

2) низкие значения распространения продольных и поперечных волн отвечают зонам повышенной трещиноватости;

3) наблюдается изменение формы записи над карстовой полостью (аномально высокое затухание преломленных волн). При возбуждении колебаний над карстовой полостью для получения удовлетворительной записи волн необходимо применять заряды В.В. большой величины или увеличивать силу ударов.

Радиоволновые методы

Выявление и оконтуривание закарстованных зон, а также отдельных крупных карстовых полостей, как пустых так и заполненных водой или глинистыми отложениями, можно производить радиоволновыми методами. При этом карстовая полость искажает нормальное поле радиостанции, поскольку среда в объеме полости отличается по своим электромагнитным параметрам от вмещающих пород. Так, например:

для известняков                       УЭС = 102ё104;              e = 5ё10;                m = 1

І воздуха                                   УЭС = Ґ1;                      e = 1;                       m = 1

І водонасыщенных глин

или суглинков                         УЭС = 1ё20;                   e = 20 - 37;             m = 1

Принципиально возможны при модификации применения радиоволновых методов:

а) радиоволновые просвечивания из скважины в скважину или из скважины (пещеры) на поверхность земли или с поверхности в скважину (пещеру). Во всех случаях используются автономные передатчики и приемник; карстовые зоны или полости проявляются в виде «тени» (по измененному поглощению радиоволн);

б) измерение сопротивления излучения антенны на профилях, пересекающих площадь с предполагаемой карстовой зоной (полостью). Антенна передатчика располагается на определенной высоте над землей и настраивается в резонанс, после чего перемещается вместе с передатчиком. Над карстовой полостью настройка нарушается и по величине изменения измеряемой мощности или по изменению настройки судят о размерах и глубине расположения полости. Зона изменения излучения в плане позволяет оконтуривать полость;

в) метод радиокип, где измеряется излучение напряженности поля удаленной радиостанции. Над карстовой полостью или зоной вектор напряженности магнитной составляющей отклоняется от горизонтали, в нем появляется вертикальная составляющая, а горизонтальная составляющая изменяется от точки к точке. На рис. 3 приведен пример аномалии поля удаленной радиостанции над закарстованной хорошо проводящей зоной в известняковом массиве [15].

Все эти методы были экспериментально проверены и получены хорошие результаты, но ни один из них не был широко опробован при инженерно-геологических изысканиях. Причиной является отсутствие серийной аппаратуры, отвечающей условиям изысканий. Выпускаемые промышленностью приборы ПИНП (для метода радиокип) из-за своей конструкции недостаточно стабильны в работе, а аппаратура скважинного просвечивания типа АРП обладает недостаточной мощностью для работы в средах невысокого сопротивления. Аппаратура для второй группы методов серийно не выпускалась. Существенное значение имеет также мощность и волновое сопротивление верхней толщи, перекрывающей карстующиеся породы, в которой радиоволны испытывают сплошное поглощение.

Для максимальной глубины, на которой может быть отмечен искомый объект, методом радиокип выведена эмпирическая формула



где l0 - длина волны радиостанции (в воздухе);

r - сопротивление перекрывающей толщи в омЧм.



Рис. 3. Аномалии над закарстованной зоной известняков

1 - кривая горизонтальной составляющей напряженности радиополя Нр; 2 - кривая вертикальной составляющей; 3 - график электропрофилирования

Для закрытого карста эта формула малоприменима, поскольку как указывалось ранее, карстовые процессы часто существенно изменяют гидрогеологический режим вышележащей толщи, что в свою очередь изменяет ее УЭС и e. Эти изменения будут хорошо отмечены как методом радиокип, так и методом сопротивления антенны передатчика, хотя при этом сами карстующиеся породы могут залегать на глубине, значительно большей hmax.

Учитывая большие возможности радиоволновых методов и полученные положительные результаты, следует рекомендовать их включение в комплекс геофизических методов карста в благоприятной ситуации как рекогносцировочных для обследования больших площадей.

Скважинные методы

При поисках погребенных карстовых полостей, залегающих ниже уровня подземных вод, для изучения гидрогеологической обстановки в зоне развития карста могут использоваться скважинные методы, включая каротаж сопротивлений (КС), естественной поляризации (ЕП), резистивиметрию, и также ядерные методы каротажа: естественной гамма активности (ГК) и гамма-гамма каротажа (ГГК). Перечисленными методами устанавливаются наиболее трещиноватые зоны в карстующихся породах, определяются скорости фильтрации для различных участков карстующих пород, а также глинистость и плотность пород. По этим данным можно судить о наличии на тех или иных интервалах сильно закарстованных пород.

Для локализации обводненных зон можно применять косвенные и прямые методы. Косвенные скважинные методы (КС, ЕП, ГК, ГГК) позволяют фиксировать зоны с пониженным электрическим сопротивлением и плотностью, характерных для закарстованных пород. Прямыми методами для локализации обводненных зон являются резистивиметрия и расходометрия.

  1   2   3
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации