5. Режимные стационарные наблюдения при инженерно-геологических исследованиях

Назначение режимных стационарных наблю­дений при инженерных изысканиях и их состав. Для геологиче­ского обоснования проектов сооружений и инженерных работ требуется полная характеристика инженерно-геологических ус­ловий территорий или строительной площадки, причем не только их фактического состояния, но и динамики развития, т.е. изме­нений отдельных элементов этих условий во времени.

Например, необходимо представлять, как изменяются уровни воды в реке, озере, водохранилище, уровни подземных вод и связанные с ними явления затопления и подтопления территорий, как изменяются характер и скорость развития геологических процессов, осадки и деформации сооружений и другие явления. Все такие качест­венные и количественные изменения инженерно-геологических условий территорий в целом или отдельных элементов этих ус­ловий во времени характеризуют их динамику.

Дина­мика процессов и явлений может иметь определенный режим, когда их изменения закономерны во времени и обусловлены, на­пример, климатическими, гидрологическими или в целом физико-географическими условиями.

Наблюдения за динамикой процессов и явлений на наблюда­тельных стационарах - участках, точках, пунктах - с целью выявления их закономерностей и обусловленности составляют определенный, очень важный вид геологических работ, называ­емый режимными стационарными наблюдениями. Эти наблюде­ния необходимы также для того, чтобы получать возможность предвидеть (прогнозировать) тенденцию и масштаб развития тех или иных процессов и явлений под влиянием естественных или искусственных условий.

Наблюдения за развитием процессов и явлений во времени при инженерных изысканиях обычно выполняют с целью:

• по­лучения их качественных и количественных характеристик и оценок;

• установления закономерностей развития процессов и явлений и выявления причин, их обусловливающих;

• преду­преждения опасных и катастрофических проявлений процессов;

• составления прогноза развития процессов и опасных явлений;

• обоснования необходимых мероприятий по охране геологической среды, обеспечению устойчивости сооружений жизни и деятельности людей, управлению геологическими процессам! явлениями в нужном для человека направлении. Таково главное назначение режимных стационарных наблюдений. Они имеют очень важное значение, так как во многих случаях только в результате их выполнения можно установить причины, условия и закономерности развития неблагоприятных или опасных процессов и явлений и обосновать пути и средства управления ими.

При проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений и хозяйственном использовании территорий чаще всего приходится выполнять следующие виды режимных стационарных наблюдений:

• метеорологические и гидрологические;

• гидрогеологические;

• геотермические;

• за деформациями масс горных пород на склонах, в откосах, на оползневых участках, в подземных выработках и котлованах;

• за осадками и деформациями сооружений;

• за скоростью и характером развития процессов выветривания, эрозии, абразии, пучения горных пород, за их физическим состоянием и другими процессами и явлениями.

Роль режимных стационарных наблюдений на разных стадиях инженерных изысканий неодинакова. Основной их объем обычно производят на стадии де­тальных исследований. Режимные наблюдения дополняют другие виды геологиче­ских работ и поэтому обеспечивают полное и детальное изучение инженерно-геологических условий при решении тех или иных инженерных задач.

В небольшом объеме эти наблюдения иногда выполняют на стадиях предварительных и рекогносцировочных исследований, когда без материалов стационарных режимных наблюдений невозможно решить поставленные задачи.

Режимные наблюдения выпол­няют также при дополнительных изысканиях для обоснования рабочих чертежей и очень часто в период эксплуатации сооруже­ний и территорий, в отличие от других видов геологических ра­бот. В этом последнем состоит одна из характерных особенностей режимных стационарных наблюдений.

Метеорологические и гидрологические наблю­дения. Климат, реки, озера, водохранилища и моря могут существенно определять развитие геологических процессов и явле­ний и формирование инженерно-геологических условий террито­рий. Поэтому характеристика, оценка этих условий и прогноз их изменений во времени немыслимы без учета некоторых данных, характеризующих климат и гидрологические особенности рек и водоемов рассматриваемого района.

Из метеорологических данных первостепенное значение обычно имеют следующие данные.

1. Количество (сумма) атмосферных осадков и их распределение по временам года, в том числе высота снежного покрова в пределах разных элементов рельефа, норма осадков, коэффициент, норма и модуль стока. При характеристике распределения осадков во многих случаях важно обращать внимание на их интенсивность в летние месяцы.

2. Абсолютная и относительная влажность воздуха, влияющие на испарение и испаряемость влаги, водный баланс местности, влажностный режим горных пород в зоне аэрации и другие явле­ния.

3. Распределение температуры воздуха по отдельным пери­одам времени года, их средние, максимальные и минимальные значения, годовые, сезонные и суточные колебания.

4. Направление и скорость ветра, периоды продолжительного действия ветров господствующих направлений. Розы ветров; годовая и для характерных периодов года.

5. Глубина сезонного промерзания горных пород на разных элементах рельефа и разной их экспозиции, на поверхностях, покрытых снегом и обнаженных, в разных горных породах.

Все эти метеорологические данные, характеризующие клима­тические особенности района, можно получить из справочников, специальных изданий (ежегодники, кадастры) гидрометеороло­гической службы и на метеостанциях.

Однако иногда возникает необходимость в учете местных, локальных микроклиматических условий. В этих случаях при производстве инженерных изысканий организуют наблюдения за отдельными элементами или комплексом элементов метеороло­гических условий.

Для того чтобы обеспечить должный уровень ин­женерных изысканий, необходимо, прежде всего, строго придержи­ваться правил метеорологических наблюдений, приведенных в ука­занных наставлениях.

Для решения инженерно-геологических задач представляют интерес следующие гидрологические параметры рек и водоемов:

• уровенный режим и связанные с ним явления затопления и подтопления;

• скорости и расходы воды речных потоков. Для интересующего конкретного участка важно устанавливать зна­чения размывающих и критических скоростей потоков и макси­мальные расходы по многолетним данным;

• ледовый режим;

• минерализация, химический состав и агрессивность поверхност­ных вод;

• твердый сток, его состав и условия формирования;

• волновые явления на водоемах и их параметры (высота волн h = f (W, t,D,Н); энергия волны Е - l/8h²L; высота вскатывания волны h_B = 3,2 kh tgα ; сила удара волны P = γ_вV²/g).

Определения и роль всех этих параметров гидрологических усло­вий рек и водоемов, оказывающих влияние на развитие геоло­гических процессов и формирование инженерно-геологических условий территорий, приведены работах и руководствах по гидрологии, океанологии и др.

Сбор, обобщение и оценка гидрологических данных, а в отдельных случаях организация соответствующих наблюдений - непре­менное условие эффективности решения задач инженерных изы­сканий для обоснования проектов сооружений и инженерных работ.

При проектировании крупных объектов в состав экспедиций, выполняющих инженерные изыскания, привлекаются гидро­логи для выполнения гидрологических изысканий. Инженер-геолог должен понимать значение гидрологических данных для решения инженерных задач, уметь пользоваться ими и быть знакомым с организацией и методикой таких наблюдений.

Гидро­логические данные, включающие исходные материалы наблюдений за режимом поверхностных вод рек, озер, водохранилищ, мо­рей, болот, и их научное обобщение приведены в специальных выпусках и справочниках гидрометеорологической службы, которая в настоящее время издает новый водный кадастр, публикуемый под общим названием «Ресурсы поверхностных вод РФ».

Гидрогеологические наблюдения. Подземные воды являются важнейшим элементом инженерно-геологических условий той или иной территории. При проектировании и стро­ительстве сооружений, рациональном использовании территорий, геологической среды подземные воды всегда имеют только ин­женерно-геологическое значение.

Поэтому изучение подземных вод - их распространения, условий залегания, гидравлических особенностей, условий питания и разгрузки, запасов (ресурсов), режима, химизма и т.д. - необходимо производить на всех стадиях инженерных изысканий. Без должного учета влияния подземных вод на развитие геологических процессов и явлений, влажности и водоносности горных пород не могут быть сделаны правильная оценка инженерно-геологических условий террито­рий и прогноз их изменений.

При инженерных изысканиях изу­чение подземных вод, как и других природных элементов, должно быть само собой разумеющимся.

Такая постановка вопроса со­вершенно не исключает использование при инженерных изы­сканиях методов гидрогеологии, как и других наук, но говорить и ставить вопрос о необходимости выполнения одновременно с инженерно-геологическими исследованиями специальных гидро­геологических неправомерно и неправильно. Поэтому сле­дует обратить особое внимание специалистов по инженерной геологии на необходимость хорошей их подготовки в области гидрогеологии и на важность изучения подземных вод, их режима при инженерных изысканиях.

При инженерно-геологических исследованиях режимные стационарные гидрогеологические наблюдения приходится выполнять для решения разнообразных задач. Наиболее часто их про­изводят с целью изучения:

• положения уровня и пьезометри­ческих уровней подземных вод. В большинстве случаев особый интерес представляет установление периодов максимальных и минимальных положений уровней и пьезометров подземных вод и их обусловленность природными климатическими, гидрологи­ческими или искусственными факторами;

• условий питания подземных вод и их запасов - ресурсов;

• связи подземных вод с поверхностными водами и зависимости режима первых от режима вторых;

• взаимосвязи между отдельными горизонтами и зонами подземных вод, наличия и надежности водоупоров как местных (локальных), так и региональных;

• изменений режима под­земных вод (уровней, ресурсов, химизма и др.) под влиянием существующих водозаборов, эксплуатации сооружений и дру­гих факторов;

• изменений минерализации и химизма подземных вод;

• влияния режима подземных вод на развитие геологических процессов и явлений - подтопление и заболачивание территорий, засоление горных пород, развитие оползневых и просадочных яв­лений, изменение микросейсмических условий и др.

Перечисленные сведения о режиме подземных вод обычно поз­воляют:

- давать более обоснованную оценку инженерно-геоло­гических условий территорий;

- определять условия произ­водства строительных и горных работ, условия эксплуатации сооружений, оценивать возможные масштабы водопритоков и прорывы воды в котлованы и подземные выработки и их агрессив­ное воздействие на подземные части конструкций сооружений;

- разрабатывать рациональные мероприятия по осушению территорий, по борьбе с явлениями подтопления территорий и сооружений, по борьбе с подземными водами при проходке котлованов и подземных выработок, с потерями воды на фильтрацию, по улучшению мелиоративного состояния орошаемых земель и т. д.;

- разрабатывать рациональные мероприятия по охране окружающей геологической среды, сооружений, жизни и деятельности людей от опасного развития геологических процессов, и в том числе защите поверхностных и подземных вод от загрязнения, истощения при эксплуатации сооружений и выполнении инженерных работ.

Таким образом, режимные стационарные гидрогеологические наблюдения при инженерных изысканиях могут давать очень важ­ные материалы для технически наиболее правильного и экономи­чески выгодного решения инженерных задач. Для постановки таких наблюдений обычно используют источники, т. е. естествен­ные выходы подземных вод на поверхность, скважины, шурфы, колодцы, водозаборы, горные выработки.

В горных выработках используют определенные участки водосборных лотков, улавли­ватели, зумпфы, водоприемники, насосные станции и др. По каждому пункту наблюдений необходимо иметь точные сведения о его высотном, плановом и геологическом положении, о режиме вскрытых водоносных горизонта или зоны, находящихся под наблюдением.

Для успешного выполнения стационарных работ каждый пункт (точка) наблюдений должен быть соответствующим образом оборудован. Источники расчищены и каптированы, сква­жины и шурфы закреплены, а в отдельных случаях оборудованы уровнемерами, лимниграфами, водосливами, водомерами и дру­гими техническими средствами. На каждом пункте наблюдения устанавливают точку, сечение или уровень, от которых произ­водят то или иное измерение при наблюдениях.

При выборе пунктов наблюдений необходимо, чтобы каждый из них был расположен в типичных гидрогеологических условиях, вблизи зоны влия­ния проектируемого или эксплуатируемого сооружения или в ней, в пределах осваиваемой территории, и быть доступным в любой период времени года.

По целевому назначению и продолжительности работы различают гидрогеологические станции государственной опорной сети, функционирующие длительные периоды, и гидрогеологические станции специального назначения, организуемые на время в связи с необходимостью решения тех или иных практических задач.

На государственные гидрогеологические станции возлагаются задачи по накоплению материалов многолетних наблюдений о режиме подземных вод и установлению закономерностей в региональном масштабе, отражающих особенности гидрогеологического режима районов с различными геологическим строением и условиями питания.

На гидрогеологических станциях специального назначения, работающих в условиях воздействиях тех или иных искусственных водопонизительных устройств или инженерных сооружений (например, строительства плотин), решаются конкретные практические задачи. После этого некоторые специальные гидрогеологические станции могут быть включены в общую государственную сеть.

В процессе организации режимных наблюдений самое пристальное внимание должно быть обращено на детальное изучение геологического строения и гидрогеологических особенностей как района в целом, так и места расположения режимной станции в особенности. Наблюдательные пунктами служат скважины или шурфы.

На рис. 3.3 приведено оборудование наблюдательных скважин, применяемых при стационарных наблюдениях pа режимом подземных вод.

Основными гидрогеологическими параметрами, за изменени­ями которых обычно ведут наблюдения, являются уровни и пьезо­метрические уровни подземных вод, дебиты источников, скважин, водозаборов, расходы и притоки воды, ее минерализация, химический состав и температура.

Наблюдения ведут по установ­ленному графику, который определяется особенностями режима изучаемого водоносного горизонта или зоны, характером и ам­плитудой колебания их параметров, стадией инженерных изы­сканий и решаемыми задачами.

Рис. 3.3. Оборудование скважины при стационарных наблюдениях за колебаниями уровня грунтовых вод:

1) заглушка; 2) насыпь (глина); 3) муфта; 4) сальник пеньковый; 5) фильтр; 6) пробка.

График наблюдений должен обес­печивать выявление закономерностей режима подземных вод во времени (суточного, сезонного, годового, многолетнего, эпизодического) и в пространстве, в естественных условиях и нару­шенных различными искусственными факторами.

В начальный период наблюдений, когда режим подземных вод еще неизвестен, наблюдения за режимом грунтовых вод рекомендуется проводить 10 раз в месяц (3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27 и 30-го числа), а за режимом напорных вод - 5 раз в месяц (6, 12, 18, 24 и 30-го числа).

В периоды паводков, снего­таяния, ливневых или продолжительных дождей или интенсив­ного искусственного нарушения режима наблюдения на отдель­ных характерных точках рекомендуется проводить ежедневно, а иногда не менее 2- 3 раз в день до тех пор, пока не прекратиться резкое изменение гидрогеологических параметров, характеризующих режим водоносного горизонта или зоны.

Закономерности режима подземных вод и их обусловленность могут быть выявлены только в том случае, если режимные гидрогеологические наблюдения сопровождаются соответствующими другими наблюдениями (метеорологическими, гидрологическими, за развитием оползневых явлений, работой сооружений и др.).

Выявляя плавные или резкие изменения режима подзем­ных вод и рассматривая их на фоне изменений других природ­ных или искусственных явлений, можно объяснить при­чины и масштабы изменений параметров подземных вод во времени и в пространстве. Это позволяет принимать обоснованные ин­женерные решения по управлению режимом подземных вод и предупреждению их вредного или опасного влияния.

Многочисленные наблюдения на самых различных участках указывают на тесную связь периодов интенсивных и повсеместных оползневых подвижек на склонах и откосах с периодами обиль­ных и продолжительных дождей, интенсивного таяния снега, высокого стояния уровня воды в водоемах, а также с разнооб­разными формами проявления подземных вод. Это свидетельст­вует о несомненной причинной связи образования оползней с кли­матическими условиями местности и подземными водами.

На мелиоративных системах сезонные и годовые колебания уровня грунтовых вод во многом определяются способом орошения, водоподачей и зависят от глубины залегания уровня грунтовых вод. Так, на площадях регулярного орошения при глубине более 20 метров происходит неуклонный подъем уровня почти без сезонных колебаний (рис. 3.4 и рис. 3.5).

Рис. 3.4. Гидрогеологический разрез Кисловской оросительной системы Волгоградской области (Кац Д.М., 1976):

1) суглинок; 2) песок; 3) глина; 4) граница литологических разновидностей пород; 5) уровень грунтовых вод (на летний период 1972г.); 6) наблюдательные скважины.

При глубине менее 10 м эти колебания отчетливы и происходят с амплитудой до 1,5-2,0 м и более – на фоне общего подъема уровня грунтовых вод. Высокое положение уровня грунтовых вод наблюдается во второй половине вегетационного периода, низкое – в январе-феврале.

Рис 3.5. График колебаний грунтовых вод на участках регулярного орошения Кисловской оросительной системы (Кац, 1976):

б) графики режима уровня грунтовых вод; г) температура воздуха; д) атмосферные осадки

Материалы режимных наблюдений в сложных геологических условиях при наличии субнапорных подземных вод (данные Голодностепской гидрогеоогической партии) показывают, что колебания уровней субнапорных и грунтовых вод происходят синхронно, которые и отражают изменения расходов воды в крупных каналов, влияние водоподачи на поля и климатических факторов (рис. 3.6).

Рис 3.6. Изменения уровня грунтовых вод и пьезометрических уровней субнапорных вод в кусте скважин в результате строительства дренажа на участке Голодностепской опытной оросительной станции под влиянием орошения (Кац, 1976):

А – литологические разрезы скважин (1 – песок, 2 – супесь, 3 – суглинок, 4 – глина, 5 – глубина установки фильтров наблюдательных пьезометров; Б – графики колебания уровня грунтовых и субнапорных вод в скважинах пьезометрического куста

На рис. 3.7. показан план рассматриваемого участка с гидроизогипсами на характерные периоды стояния уровня грунтовых вод и на период заполнения водохранилища для территории Куйбышевского водохранилища на р.Волге (Шестаков, 1969).

Рис. 3.7. Карта-схема гидроизогипс грунтового потока:

а – при естественном режиме; б - на третий год после начала наполнения водохранилища: (1 - граница уреза водохранилища, 2 - гидроизогипсы грунтового потока, 3 - колодцы и скважины (цифры рядом – абсолютная отметка грунтовых вод, 4 - наблюдательные скважины, в числителе – номер скважины, в знаменателе - абс. отметка уровня воды в ней)

Наполнение водохранилища вызвало развитие подпора в его берегах, которое было зафиксировано наблюдательными скважинами (рис. 3.8), расположенными по створу, проходящему в направлении, близком к меридиональному (Шестаков, 1969).

Рис. 3.8. Графики режимных наблюдений за уровнями грунтовых вод при заполнении Куйбышевского водохранилища (Шестаков, 1969)

Приведенные примеры наглядно подтверждают положение о том, что нельзя гидрогеологические наблюдения проводить вне связи с изучением других природных или искусственных фак­торов. В то же время они показывают, как следует обрабатывать результаты режимных стационарных гидрогеологических наблю­дений. При такой обработке полезно составлять хронологические графики, разнообразные гидрогеологические карты и другие графики и чертежи.

Для анализа изменений отдельных параметров водоносных го­ризонтов и зон полезно применять вероятностно-статистичеcкие методы обработки материалов наблюдений.