Геологічна діяльність підземних вод

З підземними водами пов'язаний ряд екзогенних геологічних процесів. Підземні води часто пом'якшують поверхневі шари капілярно зволожуваних ґрунтів, заболочують територію, сприяють обвалам і зсувам.

Підземні води — головні агенти засолу, суфозії порід, утворення гідролаколітів і наледенінь. Заболочування, обвали і зсуви, деякі процеси мерзлоти тісно пов'язані з поверхневими водами і мерзлотою.

Ґрунтові води і верховодка, зволожуючи ґрунти самих верхніх шарів, різко знижують їх міцність. Іноді це служить причиною дрібних спливів на відкосах, утворення колій на аеродромах і ґрунтових дорогах.

У районах з жарким сухим літом (Середня Азія, Казахстан, південь України, Східне Передкавказзя) ґрунтові і капілярні води, які залягають близько або навіть виходять на поверхню землі, випаровуються. Вони часто містять у розчині хлориди і сульфати натрію та кальцію і рідше калій та магній, а в північних районах Казахстану і на півдні Західного Сибіру карбонат натрію. При випаровуванні води солі випадають з розчину і залишаються на поверхні землі або в ґрунті. Тривале випаровування в період відсутності дощів або незначних опадів (переважно з травня по жовтень) призводить до значного накопичення солей, які тільки частково вимиваються при дощах і таненні снігу. Так утворюються солончаки. Засолені ґрунти можна використовувати в насипі тільки з обмеженнями за складом і ступенем засолу. Найсильніше погіршують будівельні властивості ґрунтів сульфатний і содовий засоли.

Розпушування і вимивання зі схилу потоком підземної води, що фільтрується, дрібних частинок ґрунтів називається суфозією. Суфозія переважно спостерігається в дрібних і особливо пилуватих пісках, лесах і лесовидних суглинках. Проходячи в порах пісків, вода відчуває значне тертя і захоплює дрібні частинки, спустошуючи пласт, особливо у місцях виходу. Розміщені вище шари порід при цьому осідають, але нерівномірно, утворюючи на поверхні провальні лійки. Нерідко суфозія викликає зсуви або обвали шарів, що залягають над піщаним шаром, який розмивається підземним потоком.

У лесах і лесовидних суглинках та інших глинистих ґрунтах на схилах і поблизу обривів вода по тріщинах усихання (усадки) і норах землериючих розмиває породу, утворюючи русла, печери, канали. На поверхні землі з'являються провали, лійки, осідання, колодязі. У береговому обриві видно вікна, щілини, округлі отвори. Таке явище по схожості форм, що утворюються, з карстовими іноді називають «глиняним» карстом або псевдокарстом.

Суфозія представляє велику небезпеку для споруд, розташованих поблизу схилів, складених водоносними піщаними пластами і лесовими обривами в районах зрошування, де можливе надходження значних мас поливних або відпрацьованих вод до брівки обриву.

 

Карст

У районах, де в товщах осадових порід є вапняки, доломіт, мармури, крейда, гіпс, ангідрит, кам'яна і калійна солі, соленосні пласти, розвиваються процеси карсту.

Карстом називається процес вилуговування розчинних гірських порід рухомими поверхневими і підземними водами і утворення підземних порожнин, а на поверхні землі щербин (карів), провалів та інших характерних форм рельєфу (рис. 1.17). Певну роль в утворенні цих форм виконує також механічне руйнування порід потоком рухомої води.

Для розвитку карсту необхідні наступні умови: 1) наявність розчинних гірських порід; 2) тріщинуватість порід, яка дозволяє воді проникати в глибину масиву; 3) рух води через товщі розчинних порід; 4) агресивність води, тобто здатність розчиняти дані гірські породи.

Рис. 1.17 - Карстові форми в розрізі: 1—лійка; 2—понор;   3—тріщини в породах, що карстуються; 4—підземна порожнина

Сильніше карстуються легкорозчинні кам'яна або калійна солі, гіпс і ангідрит. Карст в цих породах найбільш небезпечний, оскільки відбувається швидке їх вилуговування, що призводить до утворення крупних підземних порожнин і раптових провалів поверхні землі в короткий час.

У карбонатних породах провали виникають значно рідше і мають менші розміри. Проте тиск від споруди (будівлі), що зводиться, може призвести до обвалення відносно тонкої покрівлі карстової порожнини, що давно утворилася, але незнайденої. Тому прагнуть знайти карстові порожнини ще при дослідженнях, застосовуючи електро- і сейсморозвідку. Аномалії — екстремуми (піки або западини) електро- і сейсмопрофілів часто вказують на наявність небезпечної карстової порожнини на відносно невеликій глибині.

За інших рівних умов карстові процеси активніші в районах з розвинутою тектонікою і тріщинуватістю гірських порід. Це гірські райони Уралу, Кавказу, Криму. Вода легко проникає і пересувається у тріщинах, омиваючи велику поверхню блоків розчинної гірської породи, наприклад, в зоні розтягування порід в склепінні антикліналі. Найактивніше карст розвивається на перегинах схилів річкових долин і на заплавах, де нахили і швидкості руху підземних вод найбільші у зв'язку з утворенням відносно крутої депресивної поверхні. У місці сполучення берега із заплавою змішуються схилові і алювіальні підземні води. Алювіальні води прируслового потоку переважно маломінералізовані, внаслідок чого більш агресивні по відношенню до порід, що карстуються. Тому на заплаві і під руслом річки часто утворюються карстові порожнини, які заповнює вода з надземного русла (багато річок Уралу). Навпаки, насичені сульфат-іонами води вже не в змозі розчиняти гіпс і ангідрити. Досить жорсткі води не вилуговують вапняки і доломіт. В цьому випадку карст практично не розвивається або карстовий процес протікає дуже повільно.

 

Рис. 66. Карстові форми в плані: 1—озеро; 2-щілини; 3—лійки; 4—карстова балка з лійками; 5—колодязі (шахти)

Підземні води утворюють в розчинних породах вертикальні і горизонтальні канали і навіть цілі підземні річки, порожнини різних форм і розмірів, печери, іноді дуже крупні і протяжні. Так, довжина Кунгурської льодяної печери в гіпсі на Уралі складає 4,6 км, а довжина Мамонтової печери в штаті Кентуккі (США) досягає 15 км по головному ходу, загальна ж довжина всіх її проходів і залів перевищує 300 км. Найглибшою карстовою порожниною є П’єр-сен-Мартен в Піренеях у Франції завглибшки 1322 м, а в Узбекистані печера Київська завглибшки більше 1082м.

Якщо породи, що карстуються, залягають глибоко і перекриті шарами щільних глинистих або скельних порід, обвалення підземних порожнин позначається на поверхні землі у вигляді плавних відносно неглибоких осідань і прогинань.

При обвалах порожнин і печер, що залягають неглибоко (до 30 м) від поверхні землі, виникають колодязі, шахти, щілини, лійки, іноді дуже крупні. Крупні лійки, заповнені водою, перетворюються на карстові озера. Ці озера часто сполучаються під землею з іншими озерами через карстові порожнини. Ланцюги лійок уздовж тектонічних тріщин утворюють карстові балки. У деяких крупних карстових порожнинах відбувається рух порід, що супроводжується провалами на поверхні землі. Якщо над породами, що карстуються, залягають піски, вони можуть вимиватися в карстові тріщини (суфозія) або просипатися в карстові порожнини, коли їх покрівля досягає піщаного шару. В результаті на поверхні землі утворюються відносно крупні розвалькуваті піщані лійки з пологими бортами.

Суфозійно-карстові явища (просипання пісків в карстові порожнини) особливо небезпечні для земляного полотна, споруд і будівель своєю раптовістю, швидкоплинністю і значними розмірами. Іноді крупна лійка діаметром 10— 30 м і завглибшки 5—10 м утворюється за декілька годин і в неї провалюються цілі будівлі і споруди, що засипаються піском.

Будівництво в карстових районах пов'язане з великими труднощами. Карстові лійки на будівельних майданчиках потрібно засипати, знайдені карстові порожнини заповнювати або обрушувати, агресивні підземні води відводити, перегороджувати їм шлях водонепроникними екранами, або осушувати масив дренажами. Особливо небезпечні карстові явища для протяжних лінійних споруд, наприклад залізниць та автомобільних доріг, мостів, тунелів, каналів. У різноманітних умовах на великій відстані по трасі дуже важко знайти наявні карстові порожнини і передбачати характер розвитку карсту в добре розчинних породах через значну швидкість карстування.

Тому іноді застосовують пасивні засоби боротьби з карстом, наприклад укріплюють шлях пристроєм контррейок або поздовжніх і поперечних залізобетонних балок, на особливо небезпечних ділянках облаштовують електросигналізацію. При провалі або осіданні землі під шляхами посилені грати виконують роль тимчасового моста, а сигнали світлофорів перекривають шлях на ділянці деформації. Всі ці заходи значно здорожують будівництво і ускладнюють експлуатацію споруд.