Карст и объекты энергетики

Карст и объекты энергетики

М.А. Харькина, кандидат геолого-минералогических наук 

Термин «карст» происходит от названия плато Карст в Югославии, где подобные явления типичны и давно изучаются европейскими исследователями. Существует несколько определений карста. Наиболее полной и доходчивой формулировкой является определение А.Ф. Якушовой: «процесс растворения или выщелачивания и отчасти размыва трещиноватых растворимых горных пород движущимися водами и связанное с ним образование специфических... форм рельефа на поверхности земли и различных пустот, каналов и пещер в глубине». 

Карст возникает при наличии агрессивной о отношению к растворимой в природных водах горной породе воды и водообмена, то есть оттока насыщенной растворенным веществом воды и притока свежего растворителя. Присутствие в природных водах различных солей и углекислоты существенно влияет на растворимость горных пород. Вода, насыщенная углекислотой, растворяет известняки и доломиты значительно лучше, чем химически чистая. Наличие в подземных водах хлористого натрия повышает растворимость гипса в 2.5-3.5 раза, а присутствие сернокислотного магния понижает его растворимость до нуля. Взаимодействие этих сложных природных растворов с трещиноватыми горными породами и приводит к образованию специфических карстовых форм. 

Таблица 1

Типы карстовых форм рельефа

и причины их образования

Карстовые формы

рельефа

Геологические причины

их образования

Поверх-

ностные

Пере-

ходные

Подзем-

ные

карры

поноры

воронки

котло-

вины

полья

мосты

и арки

карстовые

останцы

желоба

и рвы

навесы

и ниши

колодцы

и шахты

исчезаю-

щие реки

слепые

и полусле-

пые долины

периоди-

чески ис-

чезающие

озера

пропасти

пещеры

каналы

гроты

выщелачивание

атмосферными водами

выщелачивание в узлах

пересечения трещин

вынос выщелоченной

породы;обвал свода;

проседание рыхлых

покровных отложений

в колодцы и полости

слияние воронок; обру-

шение кровли; поверхно-

стное выщелачивание

механический вынос

нерастворимой породы;

слияние воронок

и котловин

обрушение потолка пе-

щерных тоннелей и ниш

выборочное разрушение

(растворение) закарсто-

ванных массивов

выщелачивание

поверхности известняков

вдоль трещин

выщелачивание

атмосферными водами

на склонах

выщелачивание и корро-

дирующее действие вод

по трещинам

поглощение поверхност-

ного стока рек

поглощение и отвод

в глубину поверхностного

стока рек

периодическая фильтра-

ция воды через воронки,

котловины и поноры, за-

кальматированные шла-

мом

разрушение и размыв

карстовых шахт

обрушение; выщелачива-

ние подземными пресны-

ми водами; воздействие

минеральных и термаль-

ных вод

растворение пород под-

земными водами вдоль

закарстованных трещин;

подземная эрозия

обрушение сводов пещер;

растворение;эрозия

Для карста характерны отрицательные формы рельефа. По морфологическим признакам выделяются поверхностные (воронки, котловины, мосты, арки, ущелья, желоба и рвы), переходные (навесы, ниши, колодцы, шахты) и подземные (пропасти, пещеры, каналы) формы (табл. 1). Карстовые формы рельефа развиваются везде, где присутствуют карстующиеся породы — известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, каменные соли. На поверхности и в глубине карст представляет собой взаимосвязанный единый процесс. 

Карстовые явления распространены чрезвычайно широко. Примерно треть площади суши земного шара имеет возможности для развития карста. Карст встречается на всех континентах, исключая Антарктиду. На разных материках карст занимает площадь от 30 (Европа) до 10 719 (Азия) тыс. км2. В северном полушарии располагаются 88% закарстованных территорий мира, в южной — 12%. 

Изучая закарстованную территорию, следует оценить степень устойчивости карстового массива к намеченному виду ее хозяйственного освоения с учетом техногенной активизации карста и предложить меры противокарстовой защиты. Необходимо изучить природные факторы карстообразования: состав пород, условия их залегания, тектонические нарушения, историю развития рельефа, формирования и движения подземных вод, а также степень их изменения при техногенных воздействиях. Исследование этих геологических характеристик позволило установить общие закономерности условий строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений на закарстованных территориях. Так, в областях развития карста в массивах галоидных пород гидротехническое строительство не рекомендуется из-за возможного их растворения и в целом резкой активизации карстового процесса. В областях развития мелового карста строительство гидроэнергетических сооружений не вызывает больших затруднений, хотя при эксплуатации гидроузлов несущая способность пород может значительно снизиться из-за их перехода в текучее состояние при динамических нагрузках. В областях развития карбонатного карста неприятности также начинаются в период эксплуатации сооружений, но связаны они будут с другими причинами — медленным ростом карстовых полостей и выносом их заполнителя фильтрационными потоками. Следует отметить, что эти особенности влияния инженерно-геологических условий закарстованных территорий на устойчивость сооружений не распространяются на другие виды строительства. Например, подземные резервуары для хранения углеводородов (природного газа) предпочтительно сооружать в областях развития галогенных формаций, отличающихся низкой проницаемостью и приемлемыми физико-механическими свойствами. Соляной карст здесь не препятствует строительству, так как обычно имеет исключительно поверхностные формы или развит только на контактах с другими геологическими структурами. 

Результаты инженерно-геологических работ позволяют не только выявить характер и степень развития карста, но и определить принципиальные вопросы освоения территорий. Известно, что при изысканиях для гидротехнического строительства во избежание негативных последствий активизации карста (табл. 2) предпочитают «уйти» с закарстованных территорий. В силу экономических соображений это не всегда удается, и тогда приходится приспосабливать компоновку гидроузлов к закарстованным массивам с целью обеспечения их устойчивости и нормальных условий эксплуатации. Удачным примером такого приспособления являются результаты инженерно-геологических работ для проекта Павловской ГЭС на реке Уфа. В результате крупномасштабной геологической съемки специалисты пришли к выводу, что «ядро» левобережного водораздельного карбонатного массива не закарстовано, а следовательно, уровень подземных вод там будет выше проектируемого напорного уровня водохранили ща, поэтому утечки из водохранилища в соседнюю долину реки Ямал-Янги происходить не будут. Этот прогноз в дальнейшем был подтвержден результатами бурения и режимными наблюдениями. 

Таблица 2

Негативные последствия активизации карстовых

процессов при создании гидроэнергетических

комплексов

Гидроэнер-

гетический

комплекс

страна

Высота

плотины,

м

Породы

основания

Год строи-

тельства

Негативные

последствия

Хэлс Бар,

США

34

известняки

1905-1913

Не удалось заполнить

водохранилище

Камараза,

Испания

103

доломиты,

известняки

1920

Увеличение глубины

заложения плотины на 4-7 м

Монте-Ха-

ка, Испания

72

известняки

1924

Не удалось заполнить

водохранилище

Докан, Ирак

111

долмиты,

сланцы,

известняки

1958

Укрепительная цементация

основания

Аустин,

США

18.3

гипс

1983

Разрушение плотины из-за провала

над карстовыми пустотами

Павлов-

екая ГЭС,

Россия

56

известняки

1966

Многорядная противо-

фильтрационная завеса

Еще одним направлением работ является обоснование противокарстовых мероприятий. Они помогают снизить активность карстовых процессов, уменьшить или увеличить в необходимой степени деформации грунтовых толщ для стабилизации условий строительства, предотвратить повышенную фильтрацию и прорывы воды из карстовых полостей в подземные сооружения и горные выработки. 

Однако проведение детальных инженерно-геологических исследований на стадии проектирования сооружения не гарантирует полного объема информации о таких трудно прогнозируемых процессах, как карст. Поэтому в практике современного строительства широко используется метод активного проектирования противокарстовых мероприятий, который предусматривает получение дополнительной геологической информации уже на стадии строительства (после вскрытия строительного котлована) и оперативное внесение изменений в проект. В качестве примера приведем опыт проектирования противокарстовых мероприятий в основании оголовка донного водосброса-водовыпуска Юмагузинского гидроузла на реке Белой в Башкортостане. После корректировки проекта из-за увеличения реальной глубины закарстованности карбонатных пород было принято решение о проведении укрепительной цементации на глубину 20-30 м, забивке 20 железобетонных буронабивных свай диаметром 500 мм до глубины 20-44 м и создании дополнительных конструктивных элементов, опирающихся на слабо закарстованную часть массива. 

С эколого-геологических позиций поверхностный карст оценивается двояко. С одной стороны, он снижает комфортность проживания населения, приводит к сносу или переносу зданий и сооружений, затрудняет распашку земли и прокладку дорог, а с другой — создает неповторимые ландшафты, являющиеся местами отдыха и прогулок. 

В ряде случаев по характеру экологических последствий карст относится к опасным процессам, приводящим к человеческим жертвам. Но чаще, из-за медленного развития, его относят к процессам,опосредованно воздействующим на людей через деградацию существующих экосистем. Эти воздействия усиливаются деятельностью человека, в результате которой происходят изменения в окружающей среде. Достаточно сказать, что в целом мощность техногенных воздействий на природную среду удваивается каждые 14-15 лет. Не представляет собой исключения в этом отношении и карст. Энергия природных карстовых провалов составляет 108—1010 Дж, а энергия аналогичного техногенного процесса (обрушения выработанных пространств) практически соизмерима с ней и составляет 106 Дж. 

Неблагоприятные экологические последствия активизации карста отмечаются при разработке месторождений полезных ископаемых из-за изменения режима поверхностных и подземных вод. Они заключаются прежде всего в потере земельных угодий, так как значительные по площади участки полностью выводятся из сельскохозяйственного и промышленного пользования. Так, при отработке Николаевского карьера (Украина), где разрабатывались гипсы тортона, интенсивное развитие карста было вызвано прорывом в карьер реки Зубр — притока Днестра. Откачка воды из карьера вызвала снижение уровня грунтовых вод на 7.7 м вблизи карьера и до 2-3 м на площади, измеряющейся многими квадратными километрами. С ростом водоотлива непрерывно увеличивалось количество провально-просадочных явлений (от 3 до 75 на 1 км2 в год). В результате было выведено из строя 20 га пахотных земель, деформировано полотно железной дороги, разрушен газопровод и деформированы опоры линий электропередач. 

Известны случаи быстрого возникновения провалов в закарстованных массивах, в результате чего создавалась угроза не только для зданий и сооружений, но и для жизни людей. Например^ на одном из золоторудных месторождений Йоханнесбурга (ЮАР) в 1962-1969 гг. образовался ряд провальных воронок диаметром более 50 м и глубиной до 30 м. В одну из таких воронок провалился завод и погибли 29 человек, а в другую — жилой дом вместе с пятью жильцами. Экологические последствия проявления провальных процессов в пределах закарстованных массивов в городах носят негативный характер. Как правило, «спусковым механизмом» для активизации карста служит интенсивная откачка подземных вод с целью водоснабжения населения. В Москве снижение уровня касимовского водоносного горизонта на отдельных участках с 30-х гг. XX века до наших дней составило 14-21 м, а по некоторым данным — 20-30 м. Ситуацию усугубила откачка подземных вод в связи со строительством метрополитена. В итоге за последние 25 лет в северо-западной части Москвы в пределах закарстованных территорий были зарегистрированы 42 провальные воронки диаметром до 40 м и глубиной от 1.5 до 8 м. В 1969 г. в результате карстового провала полностью разрушился 5-этажный жилой дом на Хорошевском шоссе, а в 1977 г. — еще два в Новохорошевском проезде. Благоустройство городов и использование асфальтового покрытия может привести к затуханию карстового процесса. По данным Дзержинской карстовой станции, с уменьшением инфильтрации атмосферных вод в массивы карстующихся сульфидных пород в г. Дзержинске в связи с застройкой и асфальтированием территории стало уменьшаться число карстовых провалов. Из 62 зарегистрированных провалов с 1935 по 1974 г.лишь несколько провалов произошло в пределах города. 

Таблица 3

Использование карстовых пещер в медицинских целях

Название

пещеры

Местораспо-

ложение

Лечение

заболевания

С какого года

используется

Клютерт

Северная

Вестфалия,

Германия

Бронхиальная

астма

Стационарное

лечение с 1949

Грот Фея

Тюрингия,

Германия

Коклюш

 

Мир

г. Иошваре,

Венгрия

Органы дыхания

1954

Тавас

Венгрия

Органы крово-

обращения, органы

дыхания

 

Гамбасецкие

Словакия

Патология респи-

раторного тракта

1954

Магура

Болгария

Бронхиальная

астма

1950-е

Белая

Цхалтубо,

Грузия

Органы дыхания,

сердечно-сосудис-

тая система

Стационарное

лечение с 1978

Говоря о позитивном экологическом значении карста, следует помнить, что некоторые карстовые пещеры являются уникальными природными памятниками. В них формируется своя специфическая природная подземная экосистема. Пещеры являются убежищем и местом обитания представителей животного мира. Например, в Смолинской карстовой пещере, расположенной в Свердловской области, созданы природные благоприятные условия (относительно постоянная плюсовая температура, высокая влажность воздуха, отсутствие сквозняков, наличие щелей и трещин) для зимовки редких видов летучих мышей, часть из которых занесена в Красную книгу Среднего Урала. Современная численность прудовой ночницы (Myotis dasycnemi Boei) зимой составляет более 950 особей, а водяной ночницы (Myotis daubentoni Ruhl) — более 40 особей. Зимвока прудовой ночницы в этой пещере является крупнейшей не только в России, но и во всей Европе. 

Другое позитивное экологическое значение карста связано со спелеотерапией — методом лечения людей путем длительного пребывания в условиях микроклимата карстовых пещер, соляных копей, гротов и шахт. Постоянство температуры и давления, газового и ионного состава воздуха, низкая относительная влажность, повышенная ионизация, преобладание отрицательно заряженных ионов, наличие аэрозолей тех или иных солей, отсутствие бактериальной флоры и аллергенов, несколько повышенное содержание углекислого газа оказывают позитивное воздействие на организм человека при лечении органов дыхания, кровообращения и сердечно-сосудистой системы. Некоторые примеры использования карстовых пещер в медицинских целях приведены в табл. 3. 

Таким образом, с одной стороны, карст оказывает неблагоприятное и даже опасное воздействие на окружающую среду и созданные человеком сооружения, в том числе объекты энергетики — электростанции, линии электропередачи, трубопроводы, но в то же время карст имеет и определенное положительное значение, поскольку карстовые пещеры могут использоваться в рекреационных и лечебных целях.