Инженерно-геологические изыскания

3.1. Определение понятия
«инженерно-геологические условия»

В процессе инженерно-геологических исследований собирают сведения о физико-географической обстановке, климате, растительности, животном мире, об опыте строительства и эксплуатации сооружений, экономике и т. д. Эти данные о свойствах сред, внешних по отношению к геологической (атмосферы, поверхностной гидросферы, биосферы искусственной среды), являются результатами исследований других наук. Инженерам-геологам они необходимы для оценки набора, характера и интенсивности взаимодействий других сред — систем с изучаемой литосистемой. Кроме того, они нередко используются для оценки свойств геологической среды (например, метод ландшафтных индикаторов при проведении среднемасштабной инженерно-геологической съемки). Взаимодействия геологической среды с другими средами проявляются в форме экзогенных геологических процессов. Для изучения процессов нужно знать, где, как, с какой интенсивностью и какие входы литосистемы взаимодействуют с элементами других систем. Знание набора взаимодействий, интенсивности и вклада каждого взаимодействия, характера и скорости изменения отношений, свойств и структуры геологической среды, обусловленных взаимодействиями с другими средами, дает надежную основу для понимания экзогенных геологических процессов и их количественного прогноза. Данные о свойствах других сред используются также для решения ряда вопросов, возникающих при планировании и проектировании сооружений (например, обоснование возможности и целесообразности строительства сооружений на данной территории с учетом экологического, экономического и других критериев эффективности). В процессе геологических работ (или исследований) изучают инженерно-геологические условия некоторой территории. И. В. Попов определяет инженерно-геологические условия как всю совокупность геологической обстановки, имеющей значение для проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений. В число компонентов инженерно-геологических условий он включает: характер пород, условия их залегания и распространение в земной коре, гидрогеологические условия, влияющие на состояние и устойчивость пород, современные геологические процессы, как природные, так и вызванные инженерной или вообще хозяйственной деятельностью человека, влияющие на выбор места для строительства, конструкцию сооружения и методы производства строительных работ. Н. В. Коломенский относит к инженерно-геологическим условиям любое геологическое явление, оказывающее влияние на сооружение. Аналогичное содержание вкладывает в это понятие И. С. Комаров, понимающий под инженерно-геологическими условиями единую взаимосвязанную систему компонентов геологической обстановки, рассматриваемую с позиции инженерной геологии. В. Д. Ломтадзе [17] понимает под инженерно-геологическими условиями территории всю совокупность природных геологических условий, которые определяют планирование размещения на них различных видов строительства, рациональное использование этих территорий, выбор районов и мест расположения различных сооружений, устойчивость и нормальную их эксплуатацию и условия производства строительных и горных работ.

Несмотря на отсутствие формально строгого определения понятия «инженерно-геологические условия», оно трактуется однообразно. Это комплекс сведений о свойствах некоторого объема литосферы и протекающих в ней процессах, учитываемых при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружения. Очень важным представляется высказывание И. С. Комарова о том, что инженерно-геологические условия нужно рассматривать в целом, как взаимосвязанную систему компонентов геологической обстановки. Обсудим понятие «инженерно-геологические условия» с позиции системного анализа. Для этого рассмотрим, какие данные о геологической среде включаются в комплекс сведений, понимаемых в совокупности как инженерно-геологические условия.

Сведения можно группировать так, как это сделано в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Сведения о литосистемах, составляющие в совокупности
содержание понятия «инженерно-геологические условия»

Нетрудно заметить, что эти сведения характеризуют структуру, свойства и движение литосистемы (геологический процесс ее эволюции), а точнее, те их аспекты, которые являются существенными с точки зрения их инженерно-геологической оценки.

Компонентами литосистемы, ее подсистемами могут быть: геологические тела, выделенные по вещественному признаку, в том числе имеющие таксономическую определенность; блоки пород, разграниченные тектоническими нарушениями или трещинами; водоносные горизонты и относительные водоупоры; геоморфологические элементы. Пространственные отношения этих компонентов составляют структуры исследуемой литосистемы. Геологическое строение и условия залегания горных пород характеризуют геологическую структуру. Тектоническое строение и трещиноватость горных пород нередко являются главными признаками, учитываемыми при выделении элементов системы. Они определяют взаимное расположение и отношение твердой и жидкой фаз (пространственный аспект структуры литосистемы) и важнейшие свойства системы (движение подземных вод, водопроницаемость, сжимаемость и прочность). Гидрогеологические условия определяются не только свойствами подземных вод, но и отношениями твердой, жидкой и газообразной фаз геологической среды. Характер дискретности твердой фазы (горных пород) предопределяет тип подземных вод (поровые, трещинные, карстово-трещинные воды) и их динамику. По-видимому, как и для твердого минерального вещества, можно говорить о гидрогеологическом строении (гидрогеологической структуре) литосистемы, под которым понимается пространственное расположение и отношения водовмещающих пород и водоупоров.

Для инженерной геологии важнейшее значение имеет гидрогеологическое строение верхней части геологической среды, включающей первый от поверхности водоносный горизонт и приповерхностные слои горных пород, обводняемые в результате строительства. В процессе инженерно-геологических исследований помимо гидрогеологического строения изучают и гидродинамические свойства литосферы: направление и скорость движения подземных вод, области питания, транзита и разгрузки, связи водоносных горизонтов. Кроме того, изучают состав, состояние и свойства подземных вод и их взаимодействия с горными породами и сооружениями.

Геоморфологические условия при инженерно-геологических исследованиях изучают тогда, когда литосистема имеет поверхность раздела с атмосферой или поверхностной гидросферой. Геоморфологический облик поверхности литосистемы формируется в результате ее взаимодействия с внешними средами, атмосферой, космосом, поверхностной гидросферой, биосферой, искусственной средой, глубинными геооболочками. Характер взаимодействий обусловлен: эндогенными процессами, определяющими направленность процессов аккумуляции (отрицательные тектонические движения), выветривания и денудации (положительные движения земной коры); свойствами приповерхностной части литосферы; свойствами внешних сред, которые обычно обозначают собирательным термином «физико-географическая обстановка». Таким образом, геоморфологический облик поверхности литосистемы (геоморфологическое строение) обусловлен свойствами геологической среды (прежде всего свойствами горных пород), а также геологическими, главным образом экзогенными, и инженерно-геологическими процессами. Эти процессы характеризуют развитие геологической среды, изменение состояний литосистемы. Важность и необходимость изучения процессов в ходе инженерно-геологических работ очевидна. Следует лишь заметить, что любой процесс можно изучить во время режимных исследований. При разовых (сингулярных) исследованиях получают информацию о состоянии системы на момент исследований — данные о проявлении процесса.

Таким образом, понятие «инженерно-геологические условия» включает три группы сведений, характеризующих структуру, свойства (отдельных фаз, компонентов и свойств литосистемы в целом) и функционирование литосистемы. При толковании понятия «свойство» в широком смысле, как это принято в философии, можно дать следующее определение инженерно-геологическим условиям.

Инженерно-геологические условия — такие свойства геологической среды и такие происходящие в ней процессы, которые оказывают влияние на принятие тех или иных решений, определяющих размещение сооружений, выбор их типов и конструкций, способов строительства (методов ведения горных работ), методов эксплуатации, способов оптимального управления геологической средой.

Рассмотрим подробнее свойства геологической среды — компоненты инженерно-геологических условий. Компоненты инженерно-геологических условий, характеризующие некоторую территорию (литосистему в границах этой территории), взаимосвязаны. Взаимосвязь и взаимообусловленность свойств литосистемы, в том числе и компонентов инженерно-геологических условий, предопределена геологическим процессом ее эволюции, современными геологическими (включая инженерно-геологические) и физико-географическими процессами. Например, геологическое строение некоторой области геологической среды является следствием процессов седиментогенеза, литогенеза и тектонических. Минеральный и гранулометрический состав горных пород, их структура и текстура определяют характер их взаимодействия с водой и, следовательно, свойства грунтов (фазовых систем). Поэтому некоторые компоненты инженерно-геологических условий рассматриваются совместно.

3.2. Геологическое строение литосистемы
и условия залегания геологических тел

Под геологическим строением понимают пространственные (пространственно-временные) отношения геологических тел (слоев, линз, залежей и т. д.), выделенных по различным признакам. Наиболее часто в качестве такого признака используют минеральный и гранулометрический состав горных пород. Когда говорят об условиях залегания горных пород, то имеют в виду ориентировку геологических тел (например, пластов горных пород) по отношению к горизонтальной плоскости. Геологическое строение литосферы определяется формой и размерами геологических тел. Форма геологических тел и их размеры предопределены происхождением горных пород, их генезисом. Геологические тела, представленные осадочными породами, формируются в основном в ходе процессов седиментогенеза и на ранних стадиях литогенеза. Например, тела горных пород морского происхождения представлены достаточно выдержанными по мощности и в латеральной плоскости слоями. Тела горных пород аллювиального генезиса имеют форму линз. В ходе пролювиального процесса формируется сложное геологическое тело с линзовидным строением, в целом имеющее симметрию конуса. Можно утверждать, что изучение геологического строения в рамках инженерно-геологических исследований должно начинаться с установления генезиса пород. Под влиянием тектонических процессов первичное геологическое строение литосистемы и условия залегания геологических тел, заложенные при седиментации и диагенезе, изменяются: образуются складчатые и блочные структуры, обусловленные разрывными тектоническими нарушениями и трещинами, слои пород приобретают различный наклон. Ясно, что при инженерно-геологических исследованиях нужно хорошо представлять себе историю геологического развития территории, в частности исторический аспект тектонического процесса.

Инженерно-геологические условия изучают в связи с прогнозом инженерно-геологических процессов (точнее, прогнозом функционирования проектируемой ПТС). Процессы, как известно, развиваются в соответствующих геологических условиях. Одни условия (одни свойства геологической среды) облегчают развитие некоторого инженерно-геологического процесса, другие — не способствуют развитию процесса, ограничивают область его проявления и снижают интенсивность настолько, что учет этого процесса при проектировании, строительстве и эксплуатации ПТС становится излишним. В качестве примера можно указать на взаимодействие некоторого типового сооружения с основанием, представленным в одном случае сжимаемыми глинистыми породами, а в другом — практически несжимаемыми скальными породами с жесткими кристаллизационными связями. Совершенно ясно, что в первом случае потребуется учесть уплотнение глинистых грунтов в пределах сферы взаимодействия (осадку сооружения), а во втором, когда временное сопротивление пород сжатию многократно превышает величину нагрузки от сооружения, этот процесс можно не учитывать. Для наземных сооружений распространен процесс уплотнения грунтов в основании. Наиболее благоприятным для функционирования сооружения следует считать равномерное в пределах его контура сжатие грунтов, относящихся к зоне уплотнения (равномерная осадка сооружения). Такой ход процесса обеспечивается при условии, если деформационные свойства грунтов в пределах каждого слоя, входящего в зону уплотнения, примерно одинаковы и каждый слой имеет выдержанную мощность. Этим требованиям чаще всего удовлетворяет горизонтальное залегание геологических тел, незначительные колебания их мощности. Наклонное залегание геологических тел небольшой мощности, включая и крутое падение, близкое к вертикальному, может привести к тому, что фундамент сооружения будет заложен на разных по сжимаемости породах (неравномерная осадка). Следовательно, оценки основания, имеющего одинаковое геологическое строение, но различные условия залегания, будут разными (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Благоприятный (а) и менее благоприятный (б) случай размещения сооружения
при одинаковом геологическом строении, но различных условиях залегания геологических тел.
1 — песок; 2 — песок с галькой; 3 — суглинок; 4 — глина

Анизотропность литосферы проявляется, в частности, в анизотропности свойств горных пород и грунтов. Поэтому при оценке инженерно-геологических условий следует учитывать отношения между направлением прилагаемой нагрузки и пространственным положением литосистемы. Так, сжимаемость апшеронских глин увеличивается на 30 %, если нагрузка приложена в направлении, нормальном к слоистости, по сравнению с их сжимаемостью в направлении слоистости. Глины акчагыльского яруса еще более анизотропны по сжимаемости. Различие в их сжимаемости в направлении, нормальном к слоистости, и по слоистости составляет 200 %. Анизотропность проявляется и в отношении прочности.

При строительстве подземных сооружений главным инженерно-геологическим процессом, обусловленным взаимодействием подсистем ПТС «горная выработка» и «сфера взаимодействия геологической среды», является разуплотнение последней вследствие изменения структуры поля напряжений и проявления горного давления. Отсюда следует, что однородное геологическое строение сферы взаимодействия (одна и та же порода с одинаковыми свойствами) при прочих равных условиях более предпочтительно по сравнению с неоднородным строением (неодинаково проявление горного давления). При проектировании гидротехнических сооружений наряду с процессами уплотнения грунтов в их основании учитывают фильтрацию. При прочих равных условиях наиболее благоприятным следует считать горизонтальное залегание пород основания плотины (равномерная осадка) и отсутствие водопроводящих слоев, которые могут создать утечку воды из водохранилища. Неблагоприятным будет случай, когда слои пород наклонены в сторону нижнего бьефа. В результате этого возникает опасность не только фильтрации воды под плотиной, но и глубокого сдвига, особенно при наличии прослоев с невысокой прочностью. Наклонное залегание геологических тел обусловливает: сложное строение сферы взаимодействия (чем больше угол падения, тем большее число разных пород попадает в сферу и тем более неоднородно основание); устойчивость пород на склонах; условия фильтрации. При заполнении водохранилища могут возникнуть утечки воды, если будет наблюдаться падение слоев фильтрующих пород от водохранилища к эрозионным врезам и соседним долинам.

Простое геологическое строение, одно- и двухслойный разрез выдержанных по мощности слоев, горизонтальное (слабонаклонное) залегание горных пород более предпочтительны с инженерно-геологической точки зрения, чем сложное переслаивание линзовидных геологических тел, представленных разными горными породами и обладающих соответственно различными свойствами. При оценке, естественно, учитывают и генезис пород, который определяет не только геологическое строение некоторой области литосферы, но и пространственную изменчивость геологических тел, их мощностей, минерального и гранулометрического состава горных пород, их структуры и текстуры, свойств грунтов. Задачи инженерно-геологических работ при изучении геологического строения (геологической структуры) литосистемы и условий залегания геологических тел вытекают из необходимости получения информации, требуемой для инженерно-геологической оценки литосистемы, основанной на прогнозе инженерно-геологических процессов.

Задачи инженерно-геологических работ заключаются в следующем.

1. Выявление генезиса и возраста горных пород, обусловливающих общие черты геологического строения, форму и размеры геологических тел, их вещественный состав и пространственную изменчивость.

2. Изучение истории геологического развития, процессов эволюции исследуемой области геологической среды.

3. Изучение отношений геологических тел и их условий залегания.

4. Разделение литосистемы на геологические тела требуемой таксономической категории, отвечающей стадии проектирования ПТС (см. параграф 4.2).

5. Выявление пространственного положения, мощности и формы геологических тел, представленных грунтами, имеющими неблагоприятные с точки зрения проектируемой ПТС свойства (сильно сжимаемые, с низкой прочностью, высоким коэффициентом фильтрации и т. п.).

3.3. Минеральный и гранулометрический состав,
структура и текстура горных пород, свойства грунтов

Наибольший вклад в оценку инженерно-геологических условий проектирования, строительства и эксплуатации ПТС вносит информация о веществе геологических тел, горных породах и грунтах — фазовых системах. Информация охватывает данные о минеральном и гранулометрическом составе, степени литификации, структуре и текстуре горных пород, свойствах грунтов. Свойства грунтов, естественно, предопределены составом и свойствами горных пород, но важнейшие (деформационные, прочностные, фильтрационные) выявляются при взаимодействиях фаз системы грунта (внутренних) и при внешних взаимодействиях литосистемы. Минеральный и гранулометрический состав горных пород, их структурно-текстурные особенности, как и геологическое строение литосистемы, формируются в процессах петрогенеза, седиментации и последующего литогенеза. Этим объясняется тесная связь между минеральным и гранулометрическим составом горных пород и размерами, формой и отношениями геологических тел, которые ими сложены. Установление генезиса горных пород, процессов их литогенеза и возраста, который в большинстве случаев связан со степенью их литификации, должно предшествовать любым исследованиям минерального и гранулометрического составов горных пород и свойств грунтов. Нередко знание только происхождения и возраста горных пород позволяет дать общую характеристику их состава и свойств.

При проведении средне- и крупномасштабной инженерно-геологических съемок и в процессе инженерно-геологической разведки геологическое строение устанавливают по минеральному составу, выделяя монопородные геологические тела первого уровня расчленения (МГТ-1, см. параграф 4.2). Дальнейшее расчленение разрезов песчаных и обломочных пород ведут, используя в качестве признака-основания гранулометрический состав (второй уровень расчленения — МГТ-2). Такой порядок использования признаков-оснований позволяет при последующем выделении геологических тел учесть взаимодействия между фазами грунта и выделить однородные по его свойствам геологические тела. Минеральный состав горных пород влияет на прочность и деформационное поведение грунта, на процессы взаимодействия между его фазами. Известно, что глинистые грунты преимущественно монтмориллонитового состава при прочих равных условиях более гидрофильны, более сжимаемы, чем грунты каолинитового состава. Им свойственна набухаемость, которая не проявляется у каолинитовых грунтов. Присутствие в горных породах водорастворимых солей, гипса, пирита существенно сказывается на свойствах грунтов и их поведении при взаимодействиях. В процессе взаимодействия фаз грунта соли растворяются, грунт выщелачивается и разуплотняется. При разложении пирита образуется серная кислота. В условиях кислой среды, при рН < 3, по данным Л. А. Ярг, резко интенсифицируется процесс выветривания, подвижными становятся не только Са, Na, Mg, но и Fe, Al. Наличие серной кислоты в воде делает ее агрессивной. Все это следует учитывать при инженерно-геологической оценке горных пород и грунтов.

Не менее важны структура и текстура горных пород, также влияющие на свойства грунтов. Н. В. Коломенский и Г. А. Сулакшина показали, что угол внутреннего трения глин татарского яруса с равномерно распределенным карбонатным веществом составляет 38°, а при наличии в тех же глинах карбонатов в виде зерен он равен 28°. Г. К. Бондарик, А. М. Царева и В. В. Пономарев установили, что в процессе консолидации и сдвига водонасыщенных глин изменяется их текстура. Чем больше уплотнен глинистый грунт, тем более упорядочена его текстура, тем ближе она к аксиальной. Изменение текстуры приводит к изменению свойств грунта.

Следует особо остановиться на таком свойстве горных пород, как характер их структурных связей. Коллективные свойства литосистемы, прочностные, деформационные, фильтрационные и др., характеризуют эффективные структурные связи, т. е. связи между активными элементами грунта [3]. Активные элементы грунта — это сплошные, твердые, условно несжимаемые, недеформируемые объемы горной породы, которые способны изменять взаимное расположение при внешних или внутренних взаимодействиях. Активными элементами грунта могут быть кристаллиты (агрегаты кристаллов) глинистых пород, зерна минералов (песчаные породы), отдельные обломки грубообломочных пород, блоки скальных и полускальных пород. Эффективные структурные связи (кристаллизационные, цементационные, коагуляционные, механические) определяют поведение геологического тела — литосистемы при внешних механических и гидромеханических (нагружение, разгрузка, фильтрация) взаимодействиях. Вследствие этого выявление активных элементов и изучение эффективных структурных связей следует считать одной из главных задач инженерно-геологических исследований.

Свойства грунтов выявляются при взаимодействиях. Поэтому их оценивают в связи с взаимодействиями, определяемыми типом, пространственной схемой и режимом взаимодействий. Последние полностью зависят от типа ПТС и режима ее эксплуатации. Например, деформационные свойства маломощного глинистого прослоя в разрезе песчаных пород при расчете осадки наземного сооружения можно не принимать во внимание. В то же время при оценке устойчивости плотины прочностные свойства такого прослоя играют решающую роль. В основании земляной части плотины Волгоградской ГЭС в пределах зоны уплотнения сферы взаимодействия, представленной песчаными породами с углом внутреннего трения 25°, были встречены тонкие (до 2–5 см мощности), выдержанные, длиной до 300 м и более прослои иловатых глин и суглинков с низкой прочностью. Это обстоятельство заставило существенно снизить угол внутреннего трения песчаных пород, использованный при расчете устойчивости плотины. Одни и те же показатели свойств грунтов могут быть оценены по-разному в зависимости от того, условиями каких инженерно-геологических процессов они являются. Высокая водопроницаемость песчаных грунтов, с одной стороны, способствует их быстрой консолидации под нагрузкой от массы плотины (оценка положительная), а с другой — обусловливает интенсивную фильтрацию воды под плотиной (оценка отрицательная).

Задачи инженерно-геологического изучения минерального и гранулометрического состава, структуры и текстуры горных пород, свойств грунтов можно записать так.

1. Изучение генезиса и процессов петролитогенеза горных пород, предопределяющих их минеральный и гранулометрический состав, структуру и текстуру.

2. Изучение минерального и гранулометрического состава горных пород, их структурных и текстурных особенностей.

3. Выявление активных элементов грунта. Изучение эффективных структурных связей.

4. Выявление взаимосвязей между минеральным и гранулометрическим составом горных пород, их структурно-текстурными особенностями и свойствами грунтов с целью прогноза их поведения при строительстве и эксплуатации ПТС.

5. Расчленение по минеральному и гранулометрическому составу горных пород и свойствам грунтов исследуемой литосистемы на монопородные геологические тела разных категорий, в том числе на тела, используемые при составлении расчетной схемы.

6. Определение показателей свойств грунтов, используемых с целью их классификации, а также при расчетах экзогенных, в том числе инженерно-геологических, процессов.

3.4. Тектоническое строение литосистемы
и трещиноватость горных пород

Тектонические процессы, накладываясь на процессы седиментогенеза, не только обусловливают вещественный состав осадка, но и влияют на форму и мощность геологических тел. Существенное влияние тектонические процессы оказывают на геологическое строение литосистемы и условия залегания геологических тел в ходе ее эволюции. Тектоническими движениями обусловлено изменение условий залегания пород, складчатость, формирование складчатых и блочных структур. Изучению тектонического строения литосистемы уделяется особенно большое внимание при проведении инженерно-геологических исследований в геосинклинальных областях. Основные задачи инженерно-геологических исследований заключаются в выявлении тектонических элементов (сбросов, зон тектонического дробления, складок и их элементов, трещиноватости, связанной с тектоническими процессами); установлении закономерностей пространственного размещения тектонических элементов, их приуроченности к определенным породам.

По сбросам, зонам тектонического дробления и трещинам реализуются наиболее интенсивные взаимодействия между компонентами литосистемы, а также взаимодействия с внешними средами, т. е. развиваются экзогенные геологические процессы (выветривание, карстовый и др.). Так, например, мощность линейных кор выветривания, развивающихся по зонам тектонического дробления, в 2–3 раза и более превышает мощность площадных кор выветривания тех же пород, достигая 70–100 м. Зоны тектонического дробления и крупные тектонические трещины существенно осложняют строительство подземных сооружений и проходку выработок при добыче полезных ископаемых. Например, на трассе Дангаринского тоннеля на р. Вахш длиной 13 км суммарная мощность зон тектонических нарушений составляет почти 1 км. К участкам тектонических нарушений приурочены вывалы блоков пород. Аналогичный процесс наблюдается на участках пересечения сооружением замков антиклинальных складок, для которых характерны трещины разрыва (тоннели Гюмушской и Гуматской ГЭС).

Тектонические нарушения (сбросы, зоны дробления, крупные трещины) могут быть источником обильных водопритоков в подземные выработки, что нередко существенно осложняет ведение строительных и горных работ. Горные породы вблизи зон тектонических нарушений, даже внешне не измененные, имеют другие свойства: более низкую прочность и временное сопротивление сжатию. Это обстоятельство приходится учитывать при оценке инженерно-геологических условий строительства сооружения. В условиях тектонической нарушенности пород оптимальное размещение сооружения представляет собой сложную задачу, особенно в областях новейших и современных тектонических движений. При изысканиях второй очереди ГЭС на р. Ингури на выбранном Худонском створе, в 800 м от оси будущей плотины, обнаружен «живой» сброс с системой оперяющих трещин, одна из которых пересекала ось створа. Потребовалось детальное изучение сброса, в процессе которого было установлено, что сброс и трещины не представляют опасности для будущей плотины.

Трещиноватость горных пород принадлежит к числу свойств геологической среды, осложняющих проектирование, строительство и эксплуатацию ПТС. Трещиноватость свидетельствует о разуплотнении пород, увеличении сжимаемости, снижении прочности, увеличении водопроницаемости. Важной задачей инженерно-геологического изучения трещиноватости следует считать установление генезиса трещин. По этому признаку трещины разделяются на литогенетические (петрогенетические), тектонические, гипергенные (разгрузки и выветривания), смешанного происхождения. Генезис трещин нередко влияет на оценку инженерно-геологических условий. Выявление генезиса трещин позволяет решить ряд важных вопросов. Петро- и литогенетические трещины приурочены к определенным горным породам, в которых они образуют трехмерные системы. Параметры систем трещин связаны с минеральным составом и структурой пород.

Глубинные сети литогенетических трещин, как правило, ортогональные (формируют параллелепипедальную отдельность). Поверхностные сети трещин могут быть полигональными (формируют столбчатую, плитчатую, шаровую отдельности). Тектонические трещины могут создавать крупные дефекты геологической среды, локализованные в соответствии с проявлениями тектонических движений. По механизму образования тектонические трещины разделяются на трещины отрыва и трещины скалывания (включая трещины кливажа). Первые имеют шероховатые стенки, вторые — гладкие.

Трещины разгрузки и выветривания формируются в приповерхностной области геологической среды, и их часто называют гипергенными. Трещины разгрузки образуются в породах с жесткими кристаллизационными или цементационными структурными связями. Они возникают вследствие разуплотнения пород вблизи дневной поверхности (вблизи стенок горных выработок), сопровождающегося разрывом их сплошности. Трещины разгрузки ориентированы параллельно дневной поверхности. Зона разгрузки пород, в которой наблюдается этот генетический тип трещин, хорошо развита в эрозионных врезах, в частности в речных долинах. Различают трещины донного и бортового отпора. Такие трещины следует выявлять и учитывать при проектировании сооружений, особенно гидротехнических. Они ослабляют основание и примыкания плотины, являются путями сосредоточенной фильтрации. Нередко трещины разгрузки наследуют системы литогенетических (петрогенетических) и тектонических трещин, если по­следние ориентированы нормально направлению максимального градиента поля напряжений (параллельны поверхности вреза). Крупные трещины донного отпора, с раскрытостью до 5–7 см, были обнаружены при строительстве Братской ГЭС в Падунском сужении, в диабазах, которыми сложена интрузия траппов. Потребовалось проведение дополнительных работ по съему разуплотненной зоны траппов. Трещины выветривания обычно наследуют системы трещин материнских пород, к которым добавляются собственные трещины выветривания.

При взаимодействии подсистем ПТС «сооружение» и «сфера взаимодействия» трещиноватость может проявиться в:

· сдвиге и неравномерной осадке сооружения;

· фильтрации воды из водохранилища;

· обводнении строительных (в том числе подземных) и горных выработок;

· утечке полезных (вредных) компонентов из подземных хранилищ газов, нефтепродуктов, воды, отходов производства;

· вывалах блоков пород в подземных выемках и из откосов;

· выщелачивании растворимых пород и формировании карстовых форм искусственного происхождения.

С возможностями возникновения перечисленных процессов следует считаться при оценке трещиноватости в инженерно-геологических целях. Нередко трещиноватость горных пород является главным компонентом инженерно-геологических условий, определяющим возможность строительства сооружений (особенно подземных).

Основные задачи изучения трещиноватости при инженерно-геологических исследованиях заключаются в установлении генезиса и выявлении закономерностей пространственного размещения трещин; в количественной оценке трещиноватости; в установлении влияния трещин на коллективные свойства геологической среды (сжимаемость, прочность, водопроницаемость).

3.5. Геоморфологическое строение
литосистемы и ее рельеф

Геоморфологическое строение исследуемой области геологической среды (литосистемы) и ее рельеф являются важнейшими свойствами — компонентами инженерно-геологических условий, часто полностью определяющими ее инженерно-геологическую оценку. Геоморфологическое строение (геоморфологическая структура) литосистемы определяется пространственно-временными отношениями геоморфологических элементов. Геоморфологическим элементом следует считать выделенное по некоторому признаку (генетическому, возрастному, петрографическому) геологическое тело, имеющее границу с атмосферой или поверхностной гидросферой. Признак, выбираемый в качестве основания для расчленения приповерхностной части литосферы на геоморфологические элементы, должен соответствовать уровню геоморфологической структуры. Поверхность раздела геоморфологических элементов, в сумме составляющая поверхность раздела литосферы с атмосферой и поверхностной гидросферой, есть рельеф. Геоморфологическое строение характеризуется признаками, положенными в основу выделения геоморфологических элементов.

Рельеф характеризуется генетическими, морфологическими и морфометрическими признаками. Изучение геоморфологического строения и рельефа позволяет выявить наиболее удобные участки размещения сооружений. Например, изучение геоморфологических условий речных долин позволяет наметить в первом приближении участки для размещения гидроузлов, мостовых переходов, трасс каналов с наименьшим числом пересечений оврагов и т. д. Изучение только геоморфологической структуры и рельефа позволяет дать ответ на ряд важных вопросов, например: выявить места проявления экзогенных геологических процессов (области с неустойчивой структурой); приближенно оценить геологическое строение, вещественный состав горных пород; дать сравнительную качественную оценку свойств грунтов на разных участках; выявить участки, неблагоприятные для размещения сооружений; обосновать объемы и характер дальнейших инженерно-геологических исследований.

Геоморфологическое строение, свойства грунтов и геологические процессы так или иначе сказываются на рельефе. Практически все экзогенные геологические процессы, не говоря уже об эрозионных, проявляются в рельефе. По формам рельефа можно установить проявления оползневого, просадочного, карстового, суффозионного процессов. Рельеф и геоморфологическое строение хорошо дешифрируются на аэрофотоматериалах. Вследствие этого при изучении геоморфологических условий, особенно на ранних стадиях инженерно-геологических изысканий, нередко можно ограничиться аэрометодами (аэрокосмофотосъемка, аэровизуальные наблюдения). Так, на основании дешифрирования аэрофотоматериалов (АФМ) и проведения дополнительных аэровизуальных наблюдений была составлена схематическая геоморфологическая карта трассы канала р. Обь — Аральское море, на которой показаны проявления экзогенных геологических процессов.

На начальных стадиях проектирования ПТС, когда свойства геологической среды — компоненты инженерно-геологических условий изучены недостаточно полно, знание геоморфологических условий позволяет принять обоснованное решение о размещении сооружений. Например, четкообразное строение долины р. Сулак предопределило выбор участков размещения гидроузлов (Чирюртского, Миатлинского, Черкейского, Ирганайского), отразившегося в схеме использования водотока. На участках сужения долины развиты более прочные породы, благоприятные для размещения сооружений; длина напорного фронта на этих участках минимальная. Расширенные участки долины, прилегающие к сужениям со стороны верхнего бьефа, пригодны для создания водохранилищ. При выборе местоположения Ингурской арочной плотины были рассмотрены инженерно-геологические условия Джварского и Тквишского створов. Оба были признаны примерно одинаковыми, однако первый позволял создать водохранилище большей вместимости. Его выбрали для строительства.

Большой вклад в оценку инженерно-геологических условий дорожного строительства вносят геоморфологическое строение и рельеф. Крутизна склонов и вообще уклон местности определяют как направление трассы дороги, так и ее конструкцию (насыпь, выемка, тоннель в горной местности и т. п.). Дорогу стараются трассировать на участках с равнинным рельефом или на пологих, не расчлененных овражной сетью склонах, там, где отсутствуют проявления ЭГП (оползней, осыпей, обвалов). При размещении сооружений в речных долинах выявляют генезис террас (эрозионный, аккумулятивный, смешанный). Нередко о происхождении террас можно судить на основании результатов анализа геоморфологических условий. Генезис геоморфологических элементов речной долины служит ключом к пониманию ее геологического строения и состава горных пород. Например, для аккумулятивных террас равнинных рек характерны: горизонтальное залегание геологических тел, имеющих линзовидную форму, представленных песчаными (русловые фации) и песчано-глинистыми породами; наличие в разрезе старичных залежей, сложенных иловатыми с высоким содержанием органического вещества, пластичными глинистыми породами. Они обладают высокой сжимаемостью и низкой прочностью. Если часть сооружений будет размещена на старичных отложениях, то может возникнуть неравномерная осадка. Необходимость изучения геоморфологического строения рельефа и происхождения геоморфологических элементов подкрепляется многочисленными примерами.

Пример 1. При проектировании перехода автомобильной дороги через р. Оку первоначальный вариант предусматривал прохождение трассы на участке левобережного примыкания по пологому уступу, который считали эрозионным. Этот вариант позволял обойтись без врезки дороги. В процессе по­следующих инженерно-геологических изысканий с бурением скважин выяснилось, что уступ сложен древними оползневыми накоплениями. Это обстоятельство заставило отказаться от первоначального варианта перехода через р. Оку и перенести трассу на 800 м выше по течению.

Пример 2. При изысканиях для строительства Намохванской ГЭС на р. Риони в пределах части водохранилища выявлен крупный структурный уступ, сложенный верхнеюрскими известняками, объемом около 1,5 млн мл. Считалось, что уступ тектонического происхождения (поднятие типа горста), поскольку с двух сторон он обрамлен сбросами. При более детальных изысканиях установлено, что известняки залегают на глинистом прослое, а нижняя часть блока известняков обводнена и по контакту с глинистым прослоем наблюдаются источники. Было высказано предположение, что это — гигантский оползневой блок, который может оказаться неустойчивым при его подтоплении за счет избыточного гидродинамического давления.

3.6. Гидрогеологические условия

Понятие «гидрогеологические условия» очень объемное. Оно включает: гидрогеологическое строение (структуру) литосистемы, определяемое пространственными отношениями водосодержащих пород и относительных водоупоров; гидродинамические свойства литосистемы, условия питания, движения и разгрузки подземных вод; коллективные свойства водосодержащих пород, их водопроницаемость; химический состав, температуру, агрессивность подземных вод и др.

Все перечисленные свойства геологической среды оказывают влияние на ее инженерно-геологическую оценку. Вследствие этого в процессе инженерно-геологических исследований решают ряд вопросов гидрогеологического порядка. Перечислим основные.

1. Свойства грунтов выявляются в процессе взаимодействия фаз, поэтому изучают влияние подземных вод на характер и степень изменения свойств грунтов. Этот вопрос приобретает особую остроту при оценке грунтов, твердая фаза которых содержит глинистые минералы (глины, суглинки, песчаники с глинистым цементом, мергели) и воднорастворимые соли. При увеличении влажности такие грунты могут увеличивать сжимаемость, снижать прочность, набухать, самоуплотняться (просадочность), растворяться.

2. Возможность возникновения или интенсификация ЭГП в процессе строительства или эксплуатации ПТС (карстовый, оползневой, суффозионный, выплывание плывунов и др.).

3. Возможность и размеры фильтрации воды при строительстве гидротехнических сооружений (в основании и в обход плотин, в основании и бортах водохранилищ).

4. Возможность и величина водопритоков в строительные котлованы, подземные сооружения и горные выработки.

5. Подтопление и заболачивание территории при сооружении водохранилищ. Подтопление подземных частей сооружений при эксплуатации ПТС.

6. Изменение солевого и водного режима пород зоны аэрации при мелиорации земель.

7. Агрессивность подземных вод по отношению к материалам сооружения.

8. Изменение гидрогеохимического режима подземных вод при эксплуатации ПТС и его влияние на свойства геологической и других сред.

Для решения перечисленных вопросов изучают гидрогеологические условия. Методы их изучения рассматриваются в гидрогеологии.

3.7. Экзогенные геологические процессы

Одну из групп сведений о компонентах инженерно-геологических условий составляют данные об изменении состояний литосистемы, т. е. о геологических процессах. Инженерную геологию интересуют процессы взаимодействия геологической среды с внешними средами (атмосферой, поверхностной гидросферой, биосферой, искусственной средой) — геологические процессы. Это главным образом экзогенные геологические процессы и экзогенные, действующие на поверхности земли, проявления эндогенных геологических процессов (землетрясения)1. Экзогенные геологические процессы (ЭГП) вносят большой вклад в оценку инженерно-геологических условий. Они существенно влияют на тип и конструкцию сооружения, на способы проведения строительных работ, на условия эксплуатации ПТС. Нередко наличие интенсивных проявлений какого-либо процесса является достаточным основанием для того, чтобы отказаться от размещения сооружения на территории, где он развит. Изучение ЭГП — одно из необходимых условий инженерно-геологической оценки. Однако изучить процесс по его проявлениям (явлениям) в ходе сингулярных (разовых) инженерно-геологических исследований практически невозможно. Для познания процесса нужно располагать сведениями о его временном режиме, нужно, следовательно, проводить режимные инженерно-геологические наблюдения. Инженер-геолог обязан всесторонне изучить проявления ЭГП, собрать, если возможно, информацию о нем, относящуюся к прошлому времени (архивные материалы, опрос местных жителей и т. д.), и на этом основании высказать предположения о стадии процесса, интенсивности его проявления, его развитии в будущем, влиянии процесса на планируемую деятельность. Как известно, любой ЭГП может развиваться при определенных внешних и внутренних или геологических условиях, существующих в областях геологической среды с неустойчивой структурой [5]. В процессе инженерно-геологических рекогносцировки, съемки и разведки выявляют области с неустойчивой структурой на основании анализа свойств геологической среды.

Уже при внестадийных проработках (планировании) или на ранних стадиях проектирования ПТС должны быть решены вопросы о наличии ЭГП, степени их влияния на инженерно-геологическую оценку условий строительства и эксплуатации ПТС, возможности возникновения новых процессов и увеличения интенсивности существующих в связи с планируемой деятельностью человека. От их правильного решения зависит эффективность мероприятий, проектируемых и осуществляемых в рамках проблемы рационального использования и охраны природной среды. Влияние различных ЭГП на инженерно-геологическую оценку условий строительства рассматривается в курсе «Инженерная геодинамика». Здесь отметим, что анализ данных о компонентах инженерно-геологических условий позволяет: выявить границы областей с неустойчивой структурой; указать набор инженерно-геологических процессов, которые возникнут при строительстве сооружений и эксплуатации ПТС; наметить границы сферы взаимодействия и зон сферы. По мере детализации инженерно-геологических исследований прогноз инженерно-геологических процессов уточняют. По результатам инженерно-геологических работ, проводимых на месте размещения сооружения, в итоге должны быть получены все данные, нужные для расчета инженерно-геологических процессов, учитываемых при проектировании ПТС.

3.8. Инженерно-геологическая оценка
условий хозяйственной деятельности

Инженерно-геологическую оценку некоторой территории, а точнее, некоторой области литосферы внутри границ этой территории производят на всех этапах инженерно-геологических исследований. Оценку дают при составлении проекта инженерно-геологических исследований, во время проведения полевых работ, в процессе камеральной обработки полученной инженерно-геологической информации и составления отчетных инженерно-геологических документов. Для оценки инженерно-геологических условий осуществления хозяйственной деятельности используют информацию о структуре и свойствах геологической среды и процессах ее движения, об экзогенных геологических, в том числе инженерно-геологических, процессах.

При внестадийных проработках для оценки в большинстве случаев достаточно накопленной инженерно-геологической информации. При стадийных инженерно-геологических исследованиях в основе оценки лежит оперативная информация, произведенная в процессе изысканий для той или иной стадии проектирования сооружения, дополненная накопленной информацией. Наконец, в период строительства сооружения и при его эксплуатации инженерно-геологическую оценку дают только по оперативной инженерно-геологической информации. В специальной литературе и в отчетных материалах достаточно часто используют термин «инженерно-геологическая оценка» или его синоним «оценка инженерно-геологических условий», однако содержание этого понятия не определено. Что же означает термин «инженерно-геологическая оценка», каковы ее черты? Как уже было отмечено, при оценке используют информацию об инженерно-геологических условиях некоторой территории. Следовательно, оценка предполагает операции с инженерно-геологической информацией. Главнейшими операциями являются обработка инженерно-геологической информации; проверка соответствия обработанной информации требованиям, предъявляемым к свойствам инженерно-геологической информации с точки зрения оптимума (полнота, замкнутость, качество, объем); специальный анализ информации. Выполнение этих операций приводит к инженерно-геологической оценке.

Инженерно-геологическая оценка некоторой территории (точнее, области геологической среды) — конечный результат специального анализа совокупности данных об инженерно-геологических условиях этой территории, на основании которого принимают решения, определяющие взаимодействия орудий и продуктов труда с геологической средой в пределах оцениваемой территории. Инженерно-геологическая оценка лежит в основе планов, проектных, рабочих и оперативных документов, регламентирующих размещение сооружений, выбор их типов и конструкций, способов строительства, методов эксплуатации ПТС, реализацию мероприятий по рациональному использованию и охране природных ресурсов, в том числе геологической среды. В данной книге (см. параграф 6.1) отмечено, что эмерджентные (системообразующие) свойства ИГС выявляются в ее оценке. Опираясь на это положение, можно сформулировать формально более строгое содержание понятия. Инженерно-геологическая оценка некоторой литосистемы — эмерджентное свойство соответствующей ИГС, отражающее технико-экономические, экологические и другие аспекты хозяйственного использования территории, локализованной границами литосистемы.

Таким образом, оценка — результат специального анализа данных о компонентах инженерно-геологических условий, содержание которого определяет отношение инженера-геолога к некоторому объему геологической среды (ее структуре, свойствам) и ее функционированию, процессам, которые происходят в ней и будут развиваться при реализации намечаемой хозяйственной деятельности. Следовательно, оценка в той или иной форме всегда содержит элементы инженерно-геологического прогноза ПТС, заключающегося в прогнозе взаимодействия ее подсистем (сооружение и сфера взаимодействия).

При предпроектных проработках (планировании) и на ранних стадиях проектирования сооружений в оценку входят главным образом элементы пространственного (регионального) прогноза, даваемого в качественной форме. Вероятность прогноза при этом невысока, и величина ее не подсчитывается. В ходе стадийного проектирования и обслуживающих его инженерно-геологических изысканий оценка наряду с констатацией современной структуры и свойств изучаемой литосистемы, а также процессов, происходящих в ней, включает элементы пространственно-временного прогноза (чаще всего локального), представляемого в количественной форме с требуемыми точностью и вероятностью. Применение термина «прогнозная оценка» нельзя считать правильным, так как непрогнозных инженерно-геологических оценок нет.

Важнейшими чертами инженерно-геологической оценки следует считать ее относительность, специальный характер и конкретность.

Относительность оценки обусловлена неполнотой знаний об объекте, о некотором объеме геологической среды, ее структуре, свойствах, процессах, управляющих ее движением. Как бы тщательно ни были проведены инженерно-геологические исследования, всегда существует риск обнаружить при осуществлении планируемой деятельности неучтенные свойства литосферы или процессы, оказывающие существенное влияние на оценку. Относительность оценки определяет ее вероятностный характер.

Специальный характер и конкретность оценки вытекают из того обстоятельства, что оценивание всегда проводят с фиксированной целью. Одна и та же область литосферы оценивается по-разному (специально) в зависимости от целевого назначения оценки. Оценка всегда учитывает два аспекта: объективный, отражающий заключенные в инженерно-геологической информации сведения об исследуемой области геологической среды и процессах ее движения; субъективный (специальный), предопределяемый характером ее хозяйственного использования.

По целевому назначению инженерно-геологическая оценка может быть общей и специальной. Общая оценка дается по результатам обработки и анализа накопленной информации, реже по оперативной, полученной в ходе исследований регионального характера (главным образом при съемке среднего масштаба). Ее цель — определить возможность и порядок разнообразного хозяйственного использования крупных территорий и необходимость проектирования и реализации мероприятий по рациональному использованию и охране геологической среды. Такого рода оценки содержат региональные инженерно-геологические работы (монографии, отчеты), карты общего инженерно-геологического районирования территории, схемы комплексного использования земельных и водных ресурсов (мелиоративное строительство), водотока (гидротехническое строительство), схемы защиты территорий от ЭГП, территориальные комплексные схемы охраны природы.

Специальная оценка предусматривает отношение к конкретному виду хозяйственного использования территории. Необходимость в ней возникает при планировании и на разных стадиях проектирования того или иного сооружения (комплекса сооружений). Ярким примером такой оценки являются карты специального инженерно-геологического районирования, карты устойчивости геологической среды к различным техногенным взааимодействиям. Оценка, даваемая по результатам стадийных инженерно-геологических изысканий, всегда специальная. Инженерно-геологическую оценку дают в виде заключения, выводов в отчете, карты инженерно-геологического районирования территории, схемы возможности и очередности использования территории по видам хозяйственной деятельности, расчетной схемы и т. д. Оценку представляют в количественной и качественной формах. По мере детализации изысканий роль количественных форм оценки возрастает.

Наряду с анализом ИГС анализируют данные об отдельных компонентах инженерно-геологических условий. Такие оценки, как правило, используют при составлении проекта инженерно-геологических работ, а оценки, даваемые в процессе проведения изысканий, — для корректировки состава и объемов работ. Подобные оценки имеют методическую направленность и способствуют совершенствованию инженерно-геологических изысканий.

---