Прикладная экологическая гидрогеология и инженерная геология

5.1 Гидрогеоэкологическая оценка и прогноз воздействия захороняемых радиоактивных отходов (ПЗРО) на окружающую среду.

В качестве примера практического использования гидрогеологической информации, включая данные мониторинга окружающей среды, рассмотрим некоторые особенности формирования и воздействия захороняемых радиоактивных отходов на изменение гидрогеологических усло­вий и окружающей среды в районе действующего пункта захоронения ра­диоактивных отходов (ПЗРО).

Гидрогеоэкологическая оценка воздействия ПЗРО на окружающую среду выполнена сотрудниками Института проблем гидроминеральных ре­сурсов и кафедры «Геология и гидрогеология» при Московском государственном Открытом университете (МГОУ) В.Н. Лукиным, С.М. Каспаровьм, В.В. Мазиным, Н.В. Зориной под руководством и активном участии дирек­тора Института, док­тора геолого-минералогическкх наук профессора С.С. Бондаренко.

.В качестве исходной гидрогеологической информации использованы результаты исследований, выполненных в разные годы специализированными геологическими производственными организациями (”Гидроспецгео”, "ГУЦР") и головным проектным институтом («Гидропроект»), а также данные мониторинга окружающей среды, действующего на территории, од­ного из ПЗРО.

Высокий уровень исходной информации подкрепляется привлечением к работе геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических карт и разрезов, схем, диаграмм и графиков, широким использованием фондовых и опубликованных материалов по рассмат­риваемой проблеме.

Надежность оценки и гидрогеоэкопрогнозов воздействия ПЗРО на окружающую природную среду достигнута путем проведения многовариан­тных аналитических расчетов, разработки специальных программ для математического моделирования и решения задач на современных ЭВМ.

Комплексная гидрогеоэкологическая оценка воздействия ПЗРО на окружающую среду в районе его расположения включала рассмотрение особенностей состава радиоактивных отходов, технологии их перера­ботки изахоронения, анализа условий залегания и распространения, состава и свойств водоупорных толщ пород и подземных вод, результатов многолетнего систематического контроля за уровнем загрязнения: различных объектов в санитарно-защитной зоне (СЗЗ) и зоне наблюде­ний (ЗН), а также гидрогеоэкологическое прогнозирование с представлением соответствующих рекомендаций по управлению техногенезом. Радиоактивные отходы содержат радиоактивные вещества, превышающие концентрации, установленные действующими нормативами, и не подлежащие дальнейшему использованию ни на производстве, ни в экспериментальных исследованиях.

Радиоактивные вещества, поступающие на ПЗРО, характеризуются многообразием физического, химического и изотопного состава как в твердом, так и в жидком состоянии. К твер­дым радиоактивным отходам относятся изделия, материалы, биологичес­кие объекты, отработавшие источники ионизирующих излучений, к жидким - растворы неорганических веществ, пульпы формальдегидов, орга­нические жидкости (масла, растворители и т.д.).

Основная доля активности отходов приходится на наибо­лее токсичные изотопы: строникй-90 и цезий-137, естественный радио­активный распад которых равен соответственно 19,9 и 26,6 годам. На ПЗРО перед захоронением производится предварительная переработка радиоактивных отходов. Твердые отходы прессуются или сжигаются, жид­кие заключаются в цемент или битум для благоприятного захоронения. Окончательное захоронение производится в специальные железобетонные хранилища подземного и наземного типов с усиленной гидроизоляцией.

Анализ геологических, гидрогеологических и геоэкологических условий района и участка показал, что с точки зрения геолого-гидро­геологических, условий площадка для захоронения радиоактивных отхо­дов выбрана вполне удачно и отвечает требованиям природоохранитель­ных организаций к подобного рода объектам. Мощная (60 м) толща ре­гионально, выдержанных моренных суглинков, отличающихся слабой проницаемостью к большой сорбционной способностью, служит хорошей естественной преградой на пути к водоносным горизонтам, подземные во­ды которых используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения, и практически предотвращает возможность загрязнения радионуклидами. Детальный анализ геолого-гидрогеологических карт и разрезов пока­зал, что киммеридж-келловейские и верхнеальбский ("парамоновским") региональные водоупоры надежно защищают основной водоносный гори­зонт клязьминских отложений в исследуемом районе от радионуклидов и других токсичных отходов. Это подтверждается многолетними данны­ми радиометрического анализа проб воды, отобранных из скважин, ко­лодцев и родников, расположенных в исследуемом районе и за его пре­делами. Гамма-активность подземных вод составляет 2,5-10 Ки/л, бе­та-активность - 1,3-10 Ки/л, что соответствует фоновым значениям.

Обеспечение радиационной безопасности персонала станции и на­селения, проживающего в исследуемом районе, осуществляется путем систематического контроля за уровнем загрязнения различных объек­тов в СЗЗ и ЗН в рамках мониторинга окружающей среды на территории ПЗРО. Систематический контроль за уровнем загрязнения объектов, в воздушной и водной (наземной и подземной) средах в СЗЗ и ЗН вклю­чает проведение аэро-гамма-съемки, авто-гамма-съемки, пешеходной радиометрической съемки, шпуровой гамма-съемки. Так, в результате аэро-гамма-съемки установлено, что в целом район ПЗРО характеризуется спокойным, нормальным гамма шлем. Исключение составляет в контролируемой зоне лекальная гамма-аномалия над хранилищем радиоактивных отходов и повышенное гамма-поле, приуроченное к мелководным и заболоченным участкам в долине ручья, (истек р.Куньи). Авто-гамма съемка показа­ла, что за весь период деятельности станции радиоактивного загряз­нения на дорогах не обнаружено. Наземная пешеходная радиометричес­кая съемка, включающая гамма-съемку и бета-съемку зафиксировала лекальные ареолы радиоактивного загрязнения, не превышающие ПДК, в непосредственной близости от хранилищ радиоактивных отходов, систем дренажных канав и донных отложениях долине ручья. Шпуровая гамма-съемка по внешнему периметру хранилищ сцементированных твердых отходов и вблизи дренажных канав отличается распространение радиоактивного загрязнения до глубины 0,7 м. от поверхности земли, причем с глубиной гамма-активность грунта резко падает. Максимальное вер­тикальное распространение изотопов от дна хранилищ, заполненных сцементированными отходами, происходит крайне медленно и к настоящему времени не превышает 1м при максимальной активности просачивающей из хранилищ жидкости, равной 1,10 кюри/л.

Таким образам, результаты многолетнего контроля воздушной и водной сред территории ПЗРО свидетельствуют, что в целом исследу­емый район характеризуется нормальным гамма-полем. Вместе с тем, ло­кальные ореолы загрязнения, не превышающие ЩЩ, имеют место в непо­средственней близости от хранилищ отходов, в системе дренажных ка­нав и донных отложениях в долине ручья.

Результаты обобщения, систематизации и анализа материалов предшествующих исследований позволили обоснованно подойти к выполне­нию гидрогеоэкологических прогнозов, миграции радиоактивных изотопов че­рез бетонный экран и в моренных суглинках(аналитические расчеты), а также возможности про­никновения их в подземные водоносные горизонты и поверхностные водо­токи (матема­тическое моделирование на ЭВМ).

Прогноз миграции радиоактивных изотопов через бетонный экран X показал, .что .при единственно возможном диффузионном массопереносе радионуклидов их содержание на внешней границе экрана через 100 лет не превысит 19,0 Бк/кг. С учетом естественного радиоактивного рас­пада изотопов строныия-90 (19,9 дет) и цезия-137 (26,6 лет) можно утверждать, что при соблюдении принятых на объекте требований про­никновение радионуклидов через бетон в подстилающие грунты практически исключается.

На основании прогноза миграции радиоактивных изотопов в морен­ных отложениях установлено, что рассчитанное время полного насыщения моренных суглинков радиоактивными изотопами (стронций-90 и цезий-137) на глуби­нах I, 10 и 100 м составит соответственно по стренцию-90 - 24,9, 249 и 2490 лет, по цезию-137 - 49,8, 498 и 4980 лет. Выполненные на ЭВМ расчеты продвижения фронта фильтрации радионуклидов на глубину I, 10 и 20 м составили соответственно 214,3, 94503 и 342869 суток, т.е. свыше 1000 лет; расчеты и анализы содержания радионуклидов в воде первого от поверхности водоносного горизонта не подтверждают его загрязнения радионуклидами.

Прогноз возможного проникновения наиболее токсичного и миграционно активного радиоизотопа - стронция~90 ~ в основной водонос­ный горизонт в клязминских отложениях показал, что при непрерывном поступлении в течении 500 лет из хранилищ радиоактивного раствора (стронция-90) с удельной активностью 1*10^-8( кюри/л на расчетной глубине 14 м от дна хранилища концентрация его будет намного ниже средней допустимой концентрации (СДК).

Для проверки потенционально возможного загрязнения поверхност­ного водотока, протекающего по территорий промплощадки, были привлечены данные многолетних, режимных наблюдений за водным балансом бассейна ручья, а также использованы результаты гамма-каротажа от границ зоны строгого режима (ЗСР) до отметки 3240 м, вниз по долине ручья. Анализ данных наблюдений за водным балансом бассейна ручья показал, что наибольший поверхностный сток фиксируется в период таяния снега (апрель) и сильных затяжных дождей (май-июль и август- октябрь), а предварительными расчетами установлено, что инфильтра­ция атмосферных осадков в породы количественно составляет незначи­тельную величину (примерно 1/10 поверхностного стока). Следовательно, загрязнение поверхностного стока за счет инфильтрации осадков в породы в связи с незначительна их количеством не представляет су­щественной опасности, чему также препятствует - залегание водоупорных пород. По результатам гамма-каротажа и предварительных расчетов радиоактивного загрязнения долины ручья от границы ЗСР до отметки 3240 .м установлено, что зафиксированные в 1980 г. пиковые значения радиоактивности з районе отметок 900-1800 м связаны с аварийным выбросом. За отметкой 3000 м радиоактивность стабилизи­руется на уровне 300-100 Бк/л и далее, постепенно снижаясь, прибли­жается фоновым значениям (рис. ).

 

 

Средние значения гамма-каротажа (Бк/л) по пунктам

контроля в долине ручья

 

 

№ п/п	Расстояние от спец­объекта до пункта контроля,м	Средние значения гамма-каротажа (Бк/л) по ручью.
				78 .
2
б

 

Рис. Блок-диаграмма распространения радиоактивности по ручью.

 

Анализ данных проведенных исследований и результатов повариантных прогнозных расчетов позволил обоснованно подойти к выявлению наиболее опасного ореола радиоактивного загрязнения по долине ручья и выполнить специальные радиогидрогеоэкологические прогнозы мето­дом математического моделирования на ЭВМ. В этой связи на кафедре "Геология и гидрогеология" МГОУ была разработана программа для ма­тематического моделирования распределения гамма-активности по долине ручья "ОРТIМ ЕХР". Текст программы написан на языке "РаI". Радиогидроэкологические прогнозные расчеты выполнены на ЭВМ в среде «РАRАDOХ», позволили надежно установить параметры ореола локального загрязнения территории ПЗРО и дать соответствующие рекомендации по устранения его негативного влияния на окружающую природную среду.

Для существенного снижения загрязнения долины поверхностного водотока необходимо: - исключить возможность попадания радиоактивных веществ, на по­верхность земли при их транспортировке, разгрузке и захоронении;

- создать вокруг хранилища отходов единую бетонную дренажную систему с целью перехвата поверхностного стока и направления его непосредственно в ручей;

-выполнить бетонирование русла ручья на 2 км вниз по его течению от ПЗРО и поставить дополнительные отстойники;

- осуществлять систематический контроль за содержанием в воде радиоактивных элементов, а также продуктов распада;

- организовать постоянно действующий радиогидрогеоэкологический мониторинг, включающий создание сети наблюдательных скважин для проведения систематических режимных наблюдений, накопления и обработки банка данных, а также выполнение перманентных прогнозных радиогидрогеоэкологических расчетов с анализами и выводами по их результатам;

- разработать систему мероприятий по управлению и ликвидации отрицательного воздействия объекта захоронения на геологическую среду, поверхностные и подземные -воды в районе ПЗРО.

Таким образом, изучение подземных вод предопределяет необходимость решения двух аспектов одной общей важнейшей проблемы современ­ности в гидрогеологии: I) разработки научного обоснования мероприятий обеспечивающих рациональное и эффективное использование различных типов вод как ценнейшего полезного ископаемого для питьевого и технического водоснабжения для – бальнеологических целей тепло- и энергетических нужд, для извлечения полезных компонентов; 2) разработки научных основ и методов исследований прогнозов и водозащиты от гидрогеологических процессов, возникающих при воздействии техногенеза на ресурсы и качество подземных вод и условий, препятствующих ведению строительных работ,освоению месторождений полезных ископаемых преобразованию окружающей природной среды и т.п.

 

5.2 Опыт подземного захоронения отработанных некондиционных вод химпредприятия в глубокие водоносные горизонты на месторождениях подземных промышленных вод.

 

Добываемые с больших глубин подземные промышленные воды (ППВ) (до 3000 м) представляют собой высококонцентрированные рассолы, содержащие различные твердые взвеси, органические кислоты (нафтеновые), примеси нефти, тяжелые металлы (железо, свинец, стронций) и др. В основном подготовка отработанных вод хим.предприятия промотоков перед сбросом связана с нейтрализацией кислотности (после технологического процесса рН=2,5), остальные вредные примеси остаются в сбрасываемой отработанной воде. Годовое количество различных солей, попадающих в открытые водоемы и водотоки, достигает нескольких млн.тонн.

Большой интерес представляет возможность захоронения отработанных вод хим.предприятия в глубокие водоносные горизонты, которые не являются объектами для водоснабжения, бальнеологических и других целей. На месторождениях промышленных вод в качестве таких горизонтов могут быть использованы непродуктивные водоносные пласты и, расположенные в непосредственной близости от химических предприятий, отработанные нефтегазоносные залежи.

Особого внимание заслуживает проблема захоронения отработанных вод хим.предприятия путем их закачки в продуктивные водоносные горизонты для поддержания в них пластового давления, это значительно повышает эффективность эксплуатации месторождений промышленных вод. Такой способ разработки применяется на месторождении, расположенном в пределах Азово-Кубанского артезианского бассейна, где закачка отработанных вод хим.предприятия в эксплуатационные горизонты осуществлялась в течение многих лет.

В геологическом строении этого месторождения принимают участие породы неогенового и четвертичного возраста, скрытая мощность которых составляет 3500 м. Продуктивные горизонты, залегающие на глубине до 2300 м, приурочены к песчано- глинистым отложениям верхнего сармата и мэотиса. Средняя эффективность отложений от 22 до 36 м, пористость 18-21%, проницаемость 0,17-1,0 дарси. Промышленные воды характеризуются в основном хлоридно-натриевым составом, минерализацией до 90 г/л, температурой до 80°С.

Нагнетание некондиционных отработанных вод проводилось в VIII и VII продуктивные горизонты мэотиса и частично в III горизонт понтического яруса. Закачка осуществлялась с помощью линейной системы нагнетательных скважин глубиной до 2300 м. Нагнетательные скважины располагались между двумя рядами эксплуатационных скважин на расстоянии двух километров, расстояния между скважинами в ряду 500 м. Такая схема размещения скважин обеспечивала эффективную эксплуатацию месторождения.

Суммарный среднесуточный расход промстоков, нагнетаемых в скважины составлял около 10,0 тыс.м³ . Приемистость скважин колебалась в широких пределах - от первых сотен до 1500 м³ /сутки и в среднем равнялась 700 м³ /сутки при давлении нагнетания в 100 атм.

Коэффициент возврата (отношение объема закачанной воды к объему отработанной) составила по VII горизонту - 1,35, по VIII горизонту - 0,74. Величина коэффициента приемистости, приходящаяся на каждый метр эффективной мощности пласта, в среднем по VII и VIII горизонтам равнялась соответственно 2,06 и 1,40 м/сутки на 1 ат.

Опыт разработки этого месторождения ППВ позволил сделать вывод (В.Н.Лукин, Г.И.Потапов) о целесообразности и эффективности захоронения отработанных вод путем их закачки в продуктивные горизонты при одновременной эксплуатации ППВ с поддержанием пластового давления (ППД).

Как показала практика, для захоронения отработанных вод хим.предприятия в глубокие подземные горизонты необходимо:

1) наличие глубокозалегающих пластов-коллекторов, обладающих хорошими фильтрационными свойствами и обеспечивающих достаточную приемистость нагнетательных скважин;

2) отсутствие тектонических нарушений и наличие водоупоров, надежно изолирующих пласт-коллектор от выше- и нижележащих горизонтов, представляющих промышленный интерес;

3) при использовании отработанных вод хим.предприятия для поддержания пластового давления необходимо размещать нагнетательные скважины на расстояниях, исключающих прорыв промстоков с эксплуатационные скважины в течение расчетного периода эксплуатации;

4) осуществлять предварительную подготовку закачиваемых промстоков с целью

снижения кольматации призабойной зоны нагнетательных скважин.

 

 

5.3 Исследования и прогноз изменения геологической среды под действием техногенных процессов на одном из проектируемых полигонов твёрдых бытовых отходов

(ТБО)

Полигон твёрдых бытовых отходов - природоохранное сооружение, обеспечивающее защиту окружающей природной среды от техногенного загрязнения. Основными проектируемыми сооружениями на рассматриваемом полигоне являются: площадка ТБО и насосная станция.

Полигон ТБО имеет площадь 387350 м (размеры 610x635 м) с объемом бытового мусора 1500 м³ глубиной 5 м, тип фундамента - плита, нагрузка на фундамент 7 т/м².

Насосная станция размером 4x4 м - одноэтажное сооружение высотой 3 м, глубина заложения подошвы фундамента 2 м, тип фундамента - ленточный, нагрузка на фундамент 2 кг/см.

Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования в пределах полигона ТБО включали: проведение одноименной съемки масштаба 1:100 ООО общей площадью 1 849 км, бурение девяти гидрогеологических и инженерно- геологических скважин общим метражом 250 м, проведение опытной кустовой откачки и лабораторных исследований грунтов и подземных вод.

Комплексная гидрогеологическая и инженерно-геологическая съемка масштаба 1:100 000 проводилась с целью изучения картирования геоморфологических, гидрогеологических, инженерно-геологических и геоэкологических условий района исследований.

Всего описано 1113 точек наблюдений, из них 98 колодцев и родников, 254 точки геоморфологических элементов и 761 точка наблюдений с описанием геолого-литологического характера образований. В процессе наблюдений отбирались пробы грунта и воды для лабораторных исследований в соответствии с действующим СНИПом.

Бурение скважин глубиной 10-80 м, диаметром 112 -132 мм производилось станком УРБ - 2АМ. колонковым способом с отбором керна и подземных вод.

Опытная кустовая откачка проводилась с целью определения гидрогеологических параметров - водопроводимости, коэффициента фильтрации и оценки качества подземных вод.

Интерпретация результатов откачки выполнялась графоаналитическим методом с использованием формулы Дюпюи.

Лабораторные испытания грунтов и химанализы подземных вод выполнялись согласно действующим ГОСТам.

В геоморфологическом отношении район исследований находится в пределах водоразделов рек и представляет собой возвышенную равнину с абсолютными отметками поверхности 140 - 160 м. Местный уклон - 25° направлен к оврагу и его отверткам, входящим в проектируемую площадку полгона ТБО. Протяженность оврага 7 км, правый его склон более крутой, чем левый.

В геологическом строении территории полигона принимают участие верхнеплиоценовые отложения неогеновой системы, перекрытые чехлом четвертичных образований. Неогеновые отложения представлены глинами, песками и алевритами. Вскрытая мощность - 20,0 м. Современные техногенные образования представляют собой насыпные грунты (бытовой мусор) мощностью от 1 до 5 м.

В разрезе исследуемого полигона выделены три инженерно-геологических элемента

(ИГЭ):

-ИГЭ - 1 - четвертичные суглинки (число пластичности 14-17 %, природная влажность - 15,3 %, плотность - 2,01 г/см, пористость - 43 %, коэффициент пористости - 0,74).

-ИГЭ - 2 - верхненеогеновые глины (природная влажность 16-31 %, плотность -1,95 г/см , коэффициент пористости - 0,77).

-ИГЭ - 3 - верхненеогеновые пески, алевриты (природная влажность - 21 %. плотность - 1,98. пористость - 43 %, коэффициент пористости - 0,75). Основанием проектируемых сооружений будут служить верхненеогеновые глины (ИГЭ - 2).

 

Первый от поверхности водоносный горизонт четвертичных отложений, влияющий на гидрогеологическую обстановку территории полигона ТБО, безнапорный; статический уровень грунтовых вод зафиксирован на глубине 2,0 м. Грунтовые воды залегают в тальвиге оврага на глубине 2,0 - 3,0 м, на склонах 6,0 - 10,0 м, средняя мощность водоносного горизонта - 7,0 м. По данным кустовой откачки, расчетные величины водопроводимости и коэффициента фильтрации составили соответственно 2,41 ми 0,3 м/сут.

По химическому составу грунтовые воды в основном сульфатные с минерализацией 0,44 - 6,8 мг/дм. Общая жесткость изменяется значительно от 7 -20 до 28,4 - 73,3 моль/м. Воды обладают весьма сильной сульфатной агрессивностью ко всем маркам цемента.

Полученные результаты проведённых исследований позволили выполнить гидрогеоэкологические прогнозы продвижения фильтрата по площади потока грунтовых вод и по глубине разреза на проектируемой площадке полигона ТБО.

Используя данные проведённых исследований выполнен прогноз продвижения фильтрата по площади потока грунтовых вод на время эксплуатации полигона (t₁ -1 год =365 сут.; t₂-5 лет = 1825 сут.; t₃ - 15 лет = 5475 сут.) при следующих исходных данных: Кф - 0,3 м/сут (по данным опытной кустовой откачки); п = 0,65 д.е. (по данным лабораторных испытаний пород); I = 0,06 по расчёту (рис. 1).

Рис. 1. Расчётная схема по определению продвижения фильтрата а) по потоку грунтовых вод; б) по глубине разреза

Расчеты:

1. Определим скорость продвижения фильтрата по потоку грунтовых вод из выражения:

2. Рассчитываем прогнозные величины расстояний продвижения фильтрата по потоку грунтовых вод за время эксплуатации полигона через t₁=l, t₂=5 и t₃=15 лет:

Вывод. Прогнозный расчёт показал, что продвижение фильтрата по потоку грунтовых вод за время эксплуатации полигона ТБО через 1, 5 и 15 лет соответственно составит: 10,22; 51,1; 153.3 м.

Используя данные проведённых исследований, выполнен прогнозный расчёт продвижения фильтрата по глубине разреза во время эксплуатации полигона ТБО площадью S= 387 350 м и объемом мусора Q = 1 500 м³ на сроки t₁=l год, t₂=5лет и t₃=15 лет:

Расчёты:

1. Определяем начальный градиент потока

2. Рассчитываем время достижения фильтрата уровня грунтовых вод при мощности зоны аэрации Z = 20 м.

3. Рассчитываем продвижение фильтрата по глубине разреза:

4. Рассчитываем продвижение фильтрата по глубине разреза при эксплуатации полигона ТБО 1 год, 5 15 лет:

Вывод. Прогнозный расчёт показал, что продвижение фильтрата по глубине разреза за период эксплуатации полигона ТБО через 1 год, 5 и 15 лет соответственно составит: 32,2; 160,7 и 481,8 м.

 

5.4 Экопрогноз устойчивости оползневого склона на проектируемом участке одного из месторождений КМА.

Исследуемый участок приурочен к северо-западной части Среднерусской возвышенности, представляющей собой приподнятую пологохолмистую равнину, изрезанную многочисленными балками и оврагами, на крутых склонах которых широко развиты оползневые процессы и явления.

Как показали инженерно-геологические исследования, оползневые тела в этом районе сложены лессовидными суглинками четвертичного возраста циркообразной формы шириной 100-150 м, высотой 2-8 м. Плоскостями скольжения служат верхнеюрские глины, залегающие под углом 10-15° к горизонту. В весенне-осенний период во время выпадения атмосферных осадков и подъема грунтовых вод происходят увеличение массы оползневого тела и снижение прочностных характеристик верхнеюрских глин, приводящее к нарушению устойчивости оползневого склона

На основании качественного анализа основных компонентов геологической среды, таких как рельеф, горные породы, подземные воды и современные геологические процессы, обосновываются геолого- структурная модель оползневого «склона», метод количественного прогноза его устойчивости, расчетная модель прогноза устойчивости оползневого склона и исходные данные к расчету.

При установленном литологическом составе пород, слагающих оползневое тело и его подошву, известных между ними границе и направлении скольжения лёссовидных суглинков четвертичного возраста по поверхности верхнеюрских глин, а также углу наклона поверхности скольжения, выбирается метод устойчивости оползневого склона, имею­щего плоскую наклонную поверхность скольжения, характерную для оползней консиквентной структуры.

Расчет устойчивости оползневого склона консиквентной структуры проводится по «схеме обратных расчетов» пользованием первой расчетной схемы, когда имеются подошвенная, две боковые и одна тыловая поверхность смещения (рис.).

Рис. Схема к расчету устойчивости оползневого склона. 1 тыловая поверхность ослабления, параллельная оползневому склону и отделяю блоки пород от основного массива; —

2-боковые плоскости, субперпендикулярные к склону и оси поверхности ослаблен 3 - подошвенная поверхность, подсекающая блоки пород снизу; F - сила сопротивления смещению; Т-сила сдвигающая; N-сила нормальная; Р - масса блока пород; > а - угол наклона поверхности скольжения

Для определения коэффициента устойчивости составляется уравнение равновесия в виде: T-F=0, то F — Ptg<p cosa+SC и T=Psina, где tgtp — тангенс угла внутри него трения грунтов в зоне ослабления; С — удельное сцепление грунтов зоны ослабления.

Коэффициент устойчивости оползневого склона расчитывается по формуле:

При η <1 склон неустойчивый.

Исходные данные: ширина блока 120 м; длина блока м; высота блока 5 м; площадь блока 5= 120-60 = 7200 м²; об ем блока К=7200 5=36000 м³; угол наклона поверхности скольжения а = 15°, плотность лессовидных

 

 

суглинков у=1,65 г/м ; масса блока Р= 36000 1,65 = 59400 т; для глин tg<p=0,161; сцепление С= 0,21 МПа = 2,1 т/м².

Подставляя исходные данные в расчетную формулу, получим:

59400-0,161-0,9659 + 7200-2,1 _ 9237 + 15120

----------------------------------------- ------------------- = 1,76.

59400*0,233

В рассматриваемом случае склон устойчивый (η=1,76), так как расчетный коэффициент устойчивости! превышает величину η> 1,3.

Исследуя устойчивость оползневого склона при различны: значениях удельного сцепления глин, получим: При С=1,25 тс/м η=1,3 - склон устойчивый;

С=1,0 тс/м η=1,3 - склон относительно устойчив;

С=0,7 тс/м η=1,3 - склон неустойчивый.

Выполненные расчеты показали, что при удельном сцеплении, равном 0,7 тс/м² , исследуемый оползневой склон становится неустойчивым.

5.5 Экопрогноз суффозионных явлений, возникающих при проходке подземного коллектора под влиянием техногенных процессов.

Суффозия может происходить как в глубине массива горных пород при интенсивных откачках подземных вод и водопонижениях (подземная суффозия), вызывая кальматацию фильтров и дренажных устройств, так и вблизи земной поверхности при проходке траншей, каналов, образуя суффозионные воронки и пустоты, осложняющие освоение территорий и требующие соответствующих методов инженерной защиты.

Ниже с использованием данных, проведенных инженерно-геологических исследований, выполнена прогнозная оценка суффозионных явлений, возникающих под воздействием техногенных процессов.

В результате проходки подземного коммуникационного коллектора под проезжей частью произошел прорыв в забой коллектора водонасыщенных песков с образованием крупной суффозионной воронки.

В связи со строительством выполнен комплекс специальных исследований для инженерно-геологической оценки причин аварий, а также прогнозирования возможных изменений условий при дальнейшей проходке коллектора.

Инженерно-геологические исследования на объекте включали:

- бурение 6 скважин глубиной от 22,0 до 30,0;

- комплекс геофизических исследований - сейсмическое профилирование и гравиразведка;

- лабораторные испытания - трехосное сжатие, сопротивление сдвигу;

- определение физических свойств грунтов и опытные полевые испытания - статическое зондирование и прессиометрия.

На основании выполненных исследований выявлено геологическое строение и гидрогеологические условия, установлены инженерно-геологические процессы и геоэкологические особенности объекта исследования.

Геологический разрез, изученный до глубины 30м, в верхней части мощностью до 10-15 м, представлен рыхлыми четвертичными образованиями, средняя часть мощностью 0,5-17 м сложена юрскими глинами, в основании разреза залегают терригенно-карбонатные породы верхнекаменноугольного возраста.

Гидрогеологические условия территории определяются практически полной обводненностью надъюрской толщей рыхлых отложений и наличием водоносных горизонтов в русавкинских известняках верхнего карбона. Химический состав грунтовых вод преимущественно сульфатно-гидрокарбонатно-кальциево-натриевый, с минерализацией 0,5-0,7 г/л около 7. По химическому составу подземные воды русавкинского горизонта пресные, гидрокарбонатно-кальциевые с минерализацией около 0,5 мг/л. (в изученном геологическом разрезе отмечаются признаки суффозионных явлений и эрозии (оврагообразования), имеющих важное инженерно- геологическое значение.

Исследуемый участок относится к району повышенного геэкологического риска, где негативные изменения геологической среды определяет хозяйственная деятельность человека, в первую очередь образование мощного чехла (от 3 до 10 м) техногенных отложений. Полностью засыпана гидрографическая сеть малых рек и оврагов. Эти данные указывают на загрязнение грунтовых и подземных вод стоками из нарушенных коммуникаций и подтверждают предположение о наличии между горизонтами тесной связи, результате исследовательских работ разрез был разбит на инженерно-геологические элементы общими расчетными показателями физико- механических свойств. К ИГЭ-1 относятся техногенные грунты, мощностью - 9,0 м, с глубиной залегания – 9,0 м. (Модуль деформации Е=6,6 кг/см², угол внутреннего трения ф=28°). К ИГЭ-2 относятся верхнечетвертичные аллювиальные отложения. Глубина их за- 1 - 11,3 м, мощность - 2,4 м, (угол внутреннего Ф=30°, модуль деформации Е=21,0 кг/см²), объединяет литологически неоднородную флювиогляциальных отложений московского оледенения. Глубина залегания - 12,5 м, мощность -

5) 11,2 м. (Модуль деформации Е=20,1 кг/см², сцеп­ление С=0,039 кг/см , угол внутреннего трения Ф=19°,8). К ИГЭ-4 относятся однородные глинистые отложения юрского периода оксфордского яруса. Глубина их залегания - 22,0 м, мощность - 7,5 м. (Модуль деформации Е=18,4 кг/см², сцепление С - 0,64 кг/см², угол внутреннего трения ф=19°,3).

Расчетные показатели физико-механических свойств были использованы для выполнения про­гнозных расчетов устойчивости угла откоса суффозионной воронки по трассе строящегося коллектора, ко­торые выполнялись графоаналитическими методами

6) методом равнопрочного откоса (Fp) и методом круглоцилиндрической поверхности скольжения. В результате прогнозных расчетов было установлено, что борта суффозионной воронки крайне неустойчивы, т.к. полученный коэффициент устойчивости η = 0,43<1,1, что говорит о подверженности дальнейшему развитию процесса с последующим образованием провалов.

Таким образом, выполненные исследования по­казали, что провал на трассе подземного коллектора следует отнести к суффозионным явлениям техногенного происхождения. Он произошел вследствие того, что забой коллектора врезался в древние овражные от­ложения, представленные водонасыщенными песка­ми. При отсутствии надежного водоупора произошло гидравлическое выдавливание слабых овражных грунтов в забой. Возникший вследствие этого фильт­рационный поток вызвал разрушение залегающих выше водоносных песков и вынос их в коллектор.

Проходка коллектора на участке провала по­требует:

а) организации регулярных наблюдений за со­стоянием зоны провала;

б) разработки дополнительных мероприятий по укреплению грунтов засыпки провала с устранением перетока грунтовых вод в русавкинский водоносный горизонт;

в) обеспечения безопасности проходки коллек­тора в зоне пониженной мощности юрского водоупора;

г)проведения дополнительных защитных меро­приятий.

Вопросы для самоконтроля.

1. Дайте определение: биосферы и ноосферы; природной, окружающей, геологической и геокриологической сред.

2. Перечислите компоненты окружающей среды.

3. Какими критериями пользуются для установления степени загрязнения подземных вод?

4. Назовите типы источников загрязнения подземных вод.

5. Какие виды источников загрязнения подземных вод вы знаете?

6. Какие отрасли промышленности оказывают наибольшее влияние на загрязнение подземных вод.

7. В чем выражается влияние горного производства на подземные воды?

8. Охарактеризуйте химическое загрязнение подземных вод.

9. Охарактеризуйте бактериальное и тепловое загрязнение подземных вод.

10. Охарактеризуйте радиоактивное загрязнение подземн