Карст. Гидротехническое строительство

В книге рассматриваются вопросы инженерно-геологического изучения закарстованных пород, взаимодействующих с гидротехническими сооружениями. Даются общие и в особенности гидродинамические закономерности развития карста, определяющие его морфологию и зональность распространения.  Рассматривается  связь карста с факторами, определяющими условия устойчивости   и   эксплуатации   гидротехнических    сооружений. К этим  факторам  относятся:   деформируемость  горных пород под влиянием нагрузок, их сопротивляемость сдвигу, суффозионная устойчивость, водопроницаемость, способность кольматироваться, искусственно уплотняться и консолидироваться.

Излагается методика инженерно-геологического и гидрогеологического изучения карста применительно к требованиям гидротехнического строительства.

Книга рассчитана на инженеров-геологов, проектировщиков, строителей, а также научных работников.

Если рассматривать карст с инженерно-геологической точки зрения, т. е. его влияния на условия залегания растворимых горных пород, их водопроницаемость, прочность, сжимаемость, сопротивление сдвигу, суффо-зионную устойчивость, с учетом распространенности этого явления, то значение исследований карста для гидротехнического строительства   станет   вполне   очевидным.
 Первые попытки строительства плотин на закарстованных породах в большинстве случаев были неудачны, вследствие чего возникла боязнь строить гидротехнические сооружения в карстовых районах. На карст стали смотреть как на одно из самых явных противопоказаний для строительства плотин и создания водохранилищ, устройства каналов, туннелей и других сооружений, задерживающих или пропускающих воду. Такая точка зрения обусловливалась вызванными карстом осложнениями при строительстве гидротехнических сооружений, главным образом выразившимися в невозможности удержать воду в некоторых водохранилищах: например, испанские плотины Мария Кристина, Монте-Жак и Ка-мароза, французская Сен Гильельм-ле-Дезер, американские Хэле Бор, Ланьер и многие другие. Хотя в большинстве случаев утечку воды и удавалось ликвидировать или уменьшить путем проведения специальных противо-фильтрационных мероприятий (Камароза, Хэле Бор, Гентерсвилл, Норрис, Чикамауга и др.), но трудностей при этом было много.
Развитие техники консолидации и уплотнения пород в примыканиях и основаниях сооружений методами цементации и битумизации, освоение способов устройства бетонных стенок с помощью бурения скважин-шахт большого диаметра способствовали изменению взглядов на возможность сооружения плотин на закарстованных породах. Примером удачного применения этих методов явилось сооружение плотин гидроэнергетического каскадар. Тенесси (США). В нашей стране первыми объектами  гидротехнического строительства на закарстованных породах стали Волховская и Сызранская гидроэлектростанции.
В настоящее время накопленный опыт специального инженерно-геологического изучения закономерностей развития карста позволяет принимать верные и зачастую весьма смелые решения при строительстве плотин в сильнозакарстованных районах. Защита от опасных проявлений карста при этом достигается созданием сложных противофильтрациопных завес, экранированием или искусственным кольматажем.
В США и европейских странах до начала 30-х годов текущего столетия инженерно-геологическое изучение участков, выбранных для строительства плотин, либо совсем не производилось, либо состояло только из геологической съемки, сопровождавшейся очень ограниченным количеством разведочных выработок, закладываемых для получения характеристики мест расположения сооружений или отдельных, казавшихся наиболее опасными, участков. Этим и объясняется относящееся к этому периоду большинство аварий плотин. По данным А. А. Гельфера [24], в 1890 г. произошло пять аварий плотин, а в 1916 г. количество их достигло максимума (20 аварий). В период с 1931 по 1935 г. ежегодно фиксировали от 1 до 5 аварий.
Рассматривая этот вопрос, М. Жинью и Р. Барбье [153] указывают, что до середины 30-х годов уделялось мало внимания инженерно-геологическим исследованиям, выполняемым для проектирования плотин, следствием чего было большое количество аварий, но затем, когда перешли к более подробным изысканиям, аварии резко сократились, став редкостью.
Несмотря на эти успехи, судя по всем данным, карст за рубежом при исследованиях для гидротехнического строительства все же изучается очень односторонне и не всегда достаточно. Он обычно исследуется не как геологический процесс с выяснением присущих ему закономерностей развития, морфологии, гидрографии и гидравлики, а лишь как некоторый природный феномен, усложняющий условия строительства. При этом стремятся только определить, имеет ли смысл залечивать карстовые проявления, осложняющие возведение водоподпор-ных сооружений, каким образом это можно сделать и не целесообразнее ли выбрать для гидроузла другое место.
Конечно   отсюда   не   следует, что за рубежом неизучают генезис карстового процесса. Известны многие зарубежные исследователи карста [144—147, 160], но их труды имеют только косвенное инженерно-геологическое, а зачастую географическое и отчасти гидравлическое направление. В них в основном описываются карстовые формы, причины их образования и формирования, условия движения воды в закарстованных породах и прочие природные особенности карста.
При отсутствии планомерного подхода к изучению природы п к ее освоению в практических целях интересы отдельных фирм и государственных учреждений зачастую не идут дальше решения частных задач для отдельных объектов строительства. Слишком большим препятствием являются интересы отдельных капиталистов, нередко идущие вразрез с наиболее целесообразными с государственной точки зрения схемами гидроэнергетического использования рек и даже с выбором мест строительства гидроузлов. В противоположность этому в условиях социалистической системы и экономики ист п не может быть узкого, местнического, нецелесообразного подхода к решению научных и народнохозяйственных задач, интересы которых органически взаимоувязываются. Это даст возможность изучить карст глубоко и всесторонне, вскрыв причины его возникновения, закономерности и формы развития. Поэтому выработавшиеся отечественные принципы инженерно-геологических исследований карста для гидротехнического строительства, изложенные нами ниже, довольно существенно отличаются от зарубежных.
Несмотря на широкое развитие строительства гидротехнических сооружений в карстовых районах, до настоящего времени ни в отечественной, ни в зарубежной литературе пет работ, достаточно подробно, всесторонне и целенаправленно излагающих методику инженерно-геологического изучения карста применительно к требованиям гидротехнического строительства, которые отражали бы специфику исследований, выполняемых для обоснования проектов плотин и водохранилищ. Сведения, приведенные в учебных пособиях [32, 74, 75, 82, 94, 95], монографиях п отдельных статьях различных авторов [44, 50, 53—55, 64, 92, 100—105, 109—117, 132—135, 140, 153, 159, 179], не охватывают всех вопросов инженерно-геологического изучения карста в указанном плане. Эти материалы не объединены единой методической направленностью, они нередко содержат противоречивые взгляды. Это сильно затрудняет их практическое использование, и особенно специалистами, еще не имеющими достаточного опыта.
В связи с этим автор и поставил перед собой задачу написать работу, которая, с одной стороны, давала бы достаточное общее представление о природе карста, условиях и закономерностях его развития, а с другой — осветила бы в известной степени вопросы и методы изучения карста и могла бы служить методическим пособием для решения специальных задач его исследований, возникающих при проектировании гидротехнических сооружений. Большое внимание при этом уделяется описанию тех вопросов и методов изучения карста, которые обычно ввиду своей специфичности недостаточно или совсем не освещены в работах предыдущих исследователей.
В основу этой работы автором положено не только критическое обобщение опыта отечественных и зарубежных исследований, но и широко использованы результаты наблюдений и материалы, накопленные и опубликованные автором за 30 лет работы в Гидропроекте и Гидроэнергопроекте, который лично принимал участие в проведении изысканий для проектов Куйбышевской (1937—1940 гг.), Витебской (1946—1948 гг.), Павловской (1949—1959 гг.), Плявиньской (1956—1958 гг.), Ин-гурской (1960—1961 гг.) и ряда других гидростанций в карстовых районах.
Многообразие природных особенностей карста и специфика личного опыта автора заставили его в данной работе ограничиться рассмотрением условий развития и изучения только карбонатного карста платформенных областей, прорезанных долинами крупнейших рек европейской части СССР и Сибири. Лишь в отдельных случаях в качестве характерных примеров, имеющих общее значение, приводятся данные, относящиеся к гипсовому карсту или карсту горных районов.