БЪЛГАРСКА АКАДЕМИЯ НА НАУКИТЕ Геологически институт "Страшимир Димитров"

ИВАЙЛО ЙОРДАНОВ ИВАНОВ

Анализ и оценка на опасността от пропада-ния на терена в Каменополско-Карлуковския

карстов район

Научна специалност 01.07.12. Инженерна геология

АВТОРЕФЕРАТ

на дисертация за придобиване на образователна и научна степен "Доктор"

Научен ръководител: Доц. д-р инж. геол. Георги Франгов Рецензенти: Проф. д-р инж. Борислав Киров Доц. д-р инж. геол. Кирил Ангелов

София, 2012 г.

2

Дисертационният труд е обсъден и одобрен за защита (Заповед на директора на Геологическия институт на БАН № 54/18.06.2012 г. ) на заседание, проведено на 02.07.2012 г. Дисертационният труд е на разположение на всички интересу-ващи се в канцеларията на Геологическия институт на БАН, на адрес: София, ул. "Акад. Г. Бончев", бл. 24. Докторантът работи като главен асистент по инженерна геология и хидрогеология в катедра "Геотехника" на УАСГ, гр. София. Автор: Ивайло Йорданов Иванов Заглавие: Анализ и оценка на опасността от пропадания на те-рена в Каменополско-Карлуковския карстов район© Всички права запазени!

3

ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД Дисертацията се състои от Въведение, 5 глави и Заключение. Глава 1 "Състояние на проблема и литературен обзор“ Глава 2 "Класификация и механизми на развитие на карстовите де-

формации и пропадания“ Глава 3 "Критерии и методики за райониране на карстовите терени

по степен на опасност от проява на внезапни карстови пропадания" Глава 4 "Изследвания и анализи на автора върху механизмите и опа-

сността от възникване на внезапни пропадания“ Глава 5 "Разработване на методика за райониране на териториите по

степен на опасност от проява на внезапни пропадания" Общият обем на дисертационния труд е 149 страници основен текст,

16 страници списък на литература (203 заглавия), 74 фигури, 27 таблици и 40 приложения.

ВЪВЕДЕНИЕ В последните години в световен мащаб значително нараства броят на

природните геоложки явления, довели до огромни бедствия. Според голяма част от учените в света основни причини за увеличаването на неблагоприят-ното въздействие на природните процеси са “...нерегулираното нарастване на населението на големите градове и засилването на техногенното въздействие на хората върху околната среда...” (Мартин, Толмачов, 1983). Голяма част от тези екзогенни геоложки процеси са определени с термина “геоложка опас-ност”. Това е сборно понятие, включващо всички разрушителни процеси в литосферата, които нанасят вреди на обществото и неговите материални фондове. Съгласно съставената от екип учени от БАН Карта на геоложката опасност в България и обяснителния текст към нея (Бручев и кол., 1994), кар-стът е класифициран като “процес с непрекъснато действие, водещ до внезап-ни явления”. Една от геоложките опасности е карстовата опасност, която зас-трашава всички страни с развит карст и строителство в карстови терени и включва следните явления:

- възникване на внезапни карстови пропадания и слягания на терена; - изтичане на води от хидротехнически съоръжения; - наводняване на карстовите терени; - осушаване и обезлесяване на карстовите терени. От всички тези опасни за човека процеси с най-силно негативно въз-

действие върху човешката дейност е възможността от възникване на внезапни пропадания на земната повърхност, които могат да доведат до повреди и раз-рушаване на сгради и съоръжения, построени в карстови терени, до големи материални загуби и човешки жертви. Причина за това са:

- бързо и неочаквано възникване; - почти пълна липса на предупредителни признаци; - трудно предвиждане и предотвратяване;

4

- предизвикваща ужас проява, идентифицираща се с “потъване в земята”.

Независимо от големите щети, които причиняват тези явления, все още техните механизми на развитие и проява, особено в условията на покприт карст, не са достатъчно изяснени в световен мащаб. Все още не съществува методика за оценка и райониране на опасността от такива явления, базирана на геотехническите параметри на окарстените скали и покриващите ги почви.

На базата на тези недобре изяснени въпроси са формулирани основ-ните цели на проведените от автора проучвания и на дисертационния труд:

1) Изследване на недостатъчно изяснените механизми за развитие на деформации в окарстените скали и покриващите карста почви, както и проявата на сводов ефект.

2) Създаване и приложение на специфична методика, базирана на геотехническите свойства на окарстените скали и покриващите ги почви, позволяваща оценка и райониране на карстовите терени по степен на опасност от възникване на пропадания.

Настоящият дисертационен труд е обобщение на извършени от автора изследвания и наблюдения на карстови терени в България, правени в периода 2000 – 2010 година, във връзка с техните качества като строителна основа.

Благодарности Изразявам своята най-голяма и сърдечна благодарност на всички, ко-

ито ме подкрепиха пряко или косвено при написването на този труд. На Бог, че ме подкрепя и ми дава здраве! На семейството ми и специално на Деси, която много ми помогна в

събирането и подреждането на полевите, фондовите и литературните матери-али!

На колегите от Геологическия институт на БАН, че ме приеха! На колегите от катедра "Геотехника" за тяхната непрекъсната под-

крепа! На Българската Федерация по Спелеология и Алексей Жалов, който

ми предостави безценни литературни данни! На приятелите си - спелеолози, които неуморно и безкористно из-

следват пещерите и карста в България и ми предоставиха много полеви данни и картни материали!

На онези, които ми даваха сила и вяра! На онези, които вече ги няма! Благодаря Ви!

5

Глава 1. СЪСТОЯНИЕ НА ПРОБЛЕМА И ЛИТЕРАТУ-РЕН ОБЗОР

1.1 Примери за проява на внезапни пропадания и деформации при строителство в карстови терени,

В чужбина ХІІ.1962 г. - Йоханесбург, ЮАР Геоложки условия – окарстени долно триаски варовици и доломити.

Причина – бързо и трайно водопонижение в минни изработки. Резултат – карстово пропадане с диаметър 70 m и дълбочина 30 m. Щети – унищожена обогатителна фабрика, 29 загинали

V.1981 г. - Winter +ational park – Флорида, САЩ Геоложки условия – окарстени палеогенски варовици. Причина –

естествено развитие на карста. Резултат – карстово пропадане с диаметър. 90 m и дълбочина 18 m. Щети – 2 милиарда $.

15.VІІ.1992 г. – гр. Дзержинск, Русия Геоложки условия – окарстени гипсови масиви. Причина – естест-

вено развитие на карста. Резултат – карстово пропадане с диаметър 40 m и дълбочина 10 m. Щети – унищожен склад на химическо предприятие.

VІ.2010 г. – гр. Инбин, провинция Съчуан, Китай Геоложки условия – окарстени варовици. Причина – естествено

развитие на карста. Резултат – пропадане с диаметър 80 m и дълбочина 50 m. Щети – пострадали сгради

В България 1922 г. – с. Габаре, общ. Бяла Слатина, обл. Враца Геоложки условия – окарстени горнокредни варовици. Причина –

естествено развитие на карста. Резултат – пропадане с диаметър 15 m и дъл-бочина 40 m. Щети – няма, появява се пропастната пещера “Новата продън-ка”.

1998 г. – с. Искрец, общ. Своге, обл. София, пещера “Душника” Геоложки условия – окарстени триаски варовици. Причина – нато-

варване от автомобили по шосето Искрец – Брезе. Резултат – пропукване и деформиране на част от тавана. Щети – повреди по шосето, ограничения за движението

6

Рискови случаи в България

Фигура 1.1 Пещерата, Фигура 1.2 Пропасти в близост “Проходна”с. Карлуково, до къщите в с. Карлуково над която преминава пътят Луковит – Румянцево Фигура 1.3 Деформация по пътя София – Берковица, преди с. Понор

1.2 Въздействие на карста върху различните типове строителс-тво

1.2.1 Гражданско и промишлено строителство � недостатъчна носеща способност на окарстените масиви като цяло; � развитие във времето на трудно прогнозируеми карстови и суфози-

онни явления, които допълнително намаляват устойчивостта; � проява на внезапни пропадания над карстови каверни, които могат

да засегнат както непосредствено намиращите се над тях, така и близките съоръжения;

� постепенно развитие на слягания около негативните карстови фор-ми, които могат да засегнат големи територии.

1.2.2 Транспортно строителство � пропадания под транспортни съоръжения – пътища и жп линии; � слягане на покриващите почви около негативните карстови форми,

засягащи транспортните съоръжения; � намаляване устойчивостта на откосите в окарстени скали; � деформации и скъсвания на транспортни съоръжения.

7

1.2.3 Тунелно и хидротехническо строителство � внезапни прориви на карстови подземни води в тунелите; � филтрационни загуби през карстови каверни и канали при язовир-

ното строителство; � намаляване на устойчивостта на скалната основа под язовирните

стени, вследствие на химична и механична суфозия.

1.3 Съвременно състояние на изучаването на проблема в света Водещи страни в изучаването на проблема са Русия, Германия, САЩ

и Китай, като научните направления в отделните страни са с различна насоче-ност, свързана със специфичните карстови проблеми за всяка страна:

� в САЩ основните усилия са насочени към проучването на свойст-вата на покриващите карста почви и развитието на деформации в тях, предиз-викани от карстовите кухини. По-малко внимание се обръща на самите окарс-тени скали, предвид това, че строителството е съсредоточено основно в райо-ните с покрит карст;

� в Русия и държавите от СНД главно внимание се отделя на райони-рането на карстовите райони по степен на опасност от възникване на разру-шителни за строителството явления, като преобладават статистическите мето-ди, имайки предвид големите и сравнително слабо изследвани територии в страната;

� в Германия основно внимание се отделя на окарстяващите се скали, развитието на кухини в тях и тяхната устойчивост, както и техногенното вли-яние върху карста, предвид силно развитата добивна промишленост и разпо-ложение на мините в карстови терени;

� в Китай се обръща голямо внимание на влиянието на карста върху хидротехническите съоръжения, а в последно време, особено във връзка с проявата на гигантски пропадания, изследванията се съсредоточават върху механизмите на развитие на тези явления.

� Недостатъчно проучени и изяснени са механизмите на развитие на кухини в покриващите карста почви.

� Разпространените в света методики за райониране на карстовите терени по степен на опасност от възникване на внезапни пропадания и сляга-ния се базират основно на статистически изследвания, количествени показа-тели, като почти не са застъпени геотехническите критерии и показатели.

1.4 Литературен обзор При анализа на литературните източници, те са поделени на руское-

зични, европейски (френски, немски, английски), американски, други (китай-ски, южноафрикански, балкански). Отделен анализ е направен на българската литература. Разгледани са общо 208 литературни източника, включително фондови материали и интернет публикации.

Основните изводи, които могат да се направят са следните:

8

1) Водещо място в изследването на проблемите на строителството в карстови терени заемат Русия, САЩ, Германия, Китай и ЮАР.

2) С изключение на Русия, повечето публикувани материали се отна-сят за конкретни проблеми, свързани със строителството в карстови терени.

3) В литературата няма приета единна теория, обясняваща възниква-нето на карстовите пропадания, както и на развитието на напреженията и деформациите около тях.

4) Изключително малко са публикациите, третиращи напрегнатото и деформирано състояние в окарстените масиви като цяло, както и тяхната ус-тойчивост при строителството.

5) Съществуват значителни по обем изследвания върху противокарс-товата защита и техническите решения при фундиране върху карст.

6) Българските литературни източници, свързани с проблемите на карста при строителството са малко и са конкретизирани върху отделни съби-тия. Причина за това е “щастливото обстоятелство”, че все още карстовите терени в нашата страна са сравнително слабо застроени и няма големи нега-тивни въздействия върху сгради и съоръжения.

В резултат на направения в Глава 1 анализ, могат да бъдат нап-равени следните основни изводи:

1) Внезапни, често разрушителни, пропадания и слягания на терена възникват във всички части на света, в които има строителство в окарстени територии. Те са най-опасните за строителството карстови явления.

2) Водещи страни в изучаването на проблема са Русия, Германия, САЩ и Китай, като научните направления в отделните страни са с различна насоченост, свързана със специфичните карстови проблеми за всяка страна:

− в САЩ основните усилия са насочени към проучването на свой-ствата на покриващите карста почви и развитието на деформации в тях, пре-дизвикани от карстовите кухини. По-малко внимание се обръща на самите окарстени скали, предвид това, че строителството е съсредоточено основно в районите с покрит карст и в там внезапната проява на пропадания може да бъде много разрушителна;

− в Русия и държавите от ОНД главно внимание се отделя на ра-йонирането на карстовите райони по степен на опасност от възникване на разрушителни за строителството явления, като преобладават статистическите методи, имайки предвид големите и сравнително слабо изследвани територии в страната;

− в Германия основно внимание се отделя на окарстяващите се скали, развитието на кухини в тях и тяхната устойчивост, както и техногенно-то влияние върху карста, предвид силно развитата добивна промишленост и разположение на мините в карстови терени;

− в Китай се обръща голямо внимание на влиянието на карста вър-ху хидротехническите съоръжения, а в последно време, особено във връзка с

9

проявата на гигантски пропадания, изследванията се съсредоточават върху механизмите на развитие на тези явления.

3) Недостатъчно проучени и изяснени са механизмите на развитие на кухини в покриващите карста почви.

4) Разпространените в света методики за райониране на карстовите терени по степен на опасност от възникване на внезапни пропадания и сляга-ния се базират основно на статистически изследвания, количествени показа-тели, като почти не са застъпени геотехническите критерии и показатели.

Глава 2. КЛАСИФИКАЦИЯ И МЕХАНИЗМИ НА РАЗ-ВИТИЕ НА КАРСТОВИТЕ ДЕФОРМАЦИИ И ПРОПАДАНИЯ

2.1 Класификации на негативните карстови форми

2.1.1 Класификация по генезис Според своя произход негативните карстови фарми се поделят на: - гравитационни, получени вследствие пропадане на тавана на карс-

товите каверни; - суфозионни, образувани предимно в карстови терени, където окарс-

тените скали са покрити с несвързани почви, които при определени условия са склонни към суфозия и при които част от материала се изнася от подземни-те води в карстовите каверни;

- фосилни, при които стари негативни форми, се проявяват отново на терена вследствие слягане на запълнилия ги материал;

2.1.2 Класификация по морфоложки характеристики и размери Поради липса на съответната пълна терминология на български език,

авторът е въвел някои названия за различните видове деформации, във връзка със строителството. Размерите, по които са направени класификациите съот-ветстват на приетите в чужди литературни източници. Въведени са понятията "карстово потъване", "слягане", "хлътване", "пропадане".

2.1.3 Инженерни класификации на карстовите терени Класификацията, направена от Централната лаборатория “Противо-

карстова и брегова защита” в гр. Дзержинск, Русия за целите на строителство-то е разделена на две основни групи:

І. Класификация на карстовите деформации във връзка със строителс-твото. ІІ. Класификация на карстовите явления по възможност за прогнозира-не на появата и развитието им.

Една от съвременните инженерни класификации на карста е предло-жена от Waltham & Fookes. Основен параметър при тази класификация е “Но-

ви пропадания и негативни деформации (НПНД) на терена за година на km2

(&SH – new sinkholes)”.

10

2.1.4 Фактори, влияещи върху възникването, развитието и проя-вата на карстовите деформаци

1) Интензивни флуктуации на нивата на подземните води. 2) Резки техногенни понижения на водните нива (изпомпване или

дрениране). 3) Достигане на долната част на депресионната фуния при техногенно

понижаване на нивата на надкарстовите води до окарстената скала. 4) Дебелина на покриващите почви. 5) Пясъчно съдържание на покриващите почви. 6)Слаби якостни и деформационни свойства на покриващите почви. 7) Силно развит непокрит карст или с тънка почвена покривка. 8) Множество проявени стари слягания и пропадания. 9) Наличие на тектонски зони или контакти между разтворими или

неразтворими скали, около които окарстяването се развива по-силно. 10) Непрекъснати и повтарящи се вибрационни въздействия. От всички изброени по-горе фактори дебелината и физикомеханич-

ните свойства на почвените разновидности, покриващи окарстените скали, както и колебанията на нивото на подземните води, имат най-голямо значение за развитието и появата на карстовите деформации на повърхността.

2.2 Механизми на деформиране и разрушаване на таваните на карстовите каверни и покриващите окарстените скали почви

В дисертацията са анализирани основните механизми ва развитие на пропаданията и сляганията на терена в карстовите райони, които могат да се поделят на две групи:

1) Развитие на деформации в окарстените скали, довеждащи до раз-рушаване на тавана на карстовата каверна

2) Развитие на деформации и образуване на кухини в покриващите почви над карстовите каверни.

2.2.1 Разрушаване на тавана на карстовата каверна За изчисляване на устойчивостта в дисертацията се използват мето-

дики от минното и тунелното строителство. Някои от тях не са използвани от други автори.

Първата група методики се базира на якостните свойства на скали-те, изграждащи таваните на карстовите каверни.

Втората група методики се базира върху енергийната теория на разрушаването на материалите и теорията на пукнатините (Griffiths, 1920). Водещ показател е коефициентът на интензивност на напреженията – Kicr.

Фигура 2.1 Развитие на обрушването в пластовете по тавана на карстова кверна, съгласно теорията на пукнатините

2.2.2 Развитие на деформации в покриващите карста почви (кастови деформации) и проява на сводов ефект

Видове засводяване в почвите над карстовите каверни

Изследванията върху ефекта на развитието на деформации в покрващите окарстените скали почви, дължащи се на наличието на карстови кверни (карстови деформации), както и формирането на засводяване в тези почви са все още в начален стадий. Поради липса на достаратурните източници, авторът използва по аналогия изследвания, правени върху сводовия ефект при силози, тунели и минни изработки Зенков, 1964, Балушев, Германов, Илов, Денев, Киров, Желев, Кръстилов, 1999; Денев, 2011). При анализа на различни изследвания и от собствени наблюдения в карстови терени, авторът установява, че в покриващите почви над окарстените скали могат да се формират три типа засводяване:

При първия тип засводяване се образува устойчива куполообразна

кухина непосредствено над карстовата каверна, т. нар. проява на "силозен ефект" (Зенков, 1964), като формирането й е възможно при точно определени размери на каверната и конкретни физикомеханични свойства на покриващте почви.

11

Развитие на обрушването в пластовете по тавана на карстова ка-

верна, съгласно теорията на пукнатините

Развитие на деформации в покриващите карста почви (кар-стови деформации) и проява на сводов ефект

Видове засводяване в почвите над карстовите каверни

ледванията върху ефекта на развитието на деформации в покри-ващите окарстените скали почви, дължащи се на наличието на карстови ка-

, както и формирането на засводяване в тези почви са все още в начален стадий. Поради липса на достатъчно данни в лите-ратурните източници, авторът използва по аналогия изследвания, правени върху сводовия ефект при силози, тунели и минни изработки (Терцаги, 1936; Зенков, 1964, Балушев, Германов, Илов, Денев, Киров, Желев, Кръстилов,

ри анализа на различни изследвания и от собствени наблюдения в карстови терени, авторът установява, че в покриващите почви над окарстените скали могат да се формират три типа засводяване:

се образува устойчива куполообразна на непосредствено над карстовата каверна, т. нар. проява на "силозен

ефект" (Зенков, 1964), като формирането й е възможно при точно определени размери на каверната и конкретни физикомеханични свойства на покриващи-

12

1

23

3

4

5 6

Фигура 2.2 Формиране на устойчив свод над отворена карстова каверна с ограничени размери: 1 – покривка от дисперсни почви; 2 – устойчива сводоо-бразна кухина І тип; 3 – окарстени скали (варовици); 4 – разрушен таван на карстова каверна; 5 – карстова каверна; 6 – водно ниво.

Вторият тип засводяване се проявява, когато сводовете от първи

тип са разрушени или размерите на каверната са големи и не позволяват тях-ното образуване. В този случай деформациите в почвите над кухината се развиват сводообразно към повърхността до достигане на ограничаващ ги недеформируем пласт или до достигане на теренната повърхност и проявата им във вид на слягания (Terzhagi, 1936, Evans, 1984).

Фигура 2.3 Проява на активен сводов ефект и деформация на почвата без образуване на кухина при различно отместване на "крепежа" на тунела или при различна дълбочина на карстовата кухината (Evans, 1984)

Фигура 2.4 Моделиране на деформациите в глинестата покривка на окарсте-ните скали (h/l = 13,5) в района на гр. Дзержинск в началния (a) и крайния (b) стадии на хидравлично деформиране. 1. Кухина от пропадане на почвите над карстовата каверна (Свод 1); 2. Зона на изтичане на глината (Свод 2); 3. Сво-дообразни пукнатини; 4 и 5. Граници на видимите деформации.

Третият тип засводяване е характерен за участъците, при които има формирано водно ниво в покриващите почви. При това могат да се фомират големи по обем кухини в покриващите почви, надвишаващи значително размера на карстовата празнина под тях (Sowers, 1996)има формата на обърната луковица, а размерите им зависят както от вида и физико-механичните характеристики натях. Под водното ниво се формират откоси, чиито наклон се определя от утойчивостта на съответната почва под вода, а размерът на сводовете над тях от формирането на устойчив свод, с ширина, зависеща от ъгъла на устойчивоткос под вода.

4

5

6

Фигура 2.5 Формиране на кухина в покриващите почви при наличие на водно ниво: 1 – покривка от дисперсни почви; 2 тип; 3 – окарстени скали (варовици); 4 – 5 – карстова каверна; 6 – ниво на подземните води в покриващите карста диперсни почви.

Фигура 2.6 При нива на подземните води, разположени над окарстените скали

Теоретични предпоставки за образуване на устойчиви сводове от

първи тип

Повърхността на този свод всъщност очертава границата между зонта на догранично равновесие на почвата и зоната на надПод очертанието на свода, якостта на почвата е надмината от натоварването, пластичните деформации довеждат до развитие на премествания и разруш

13

е характерен за участъците, при които има формирано водно ниво в покриващите почви. При това могат да се фор-мират големи по обем кухини в покриващите почви, надвишаващи значително размера на карстовата празнина под тях (Sowers, 1996). Формата на кухините има формата на обърната луковица, а размерите им зависят както от вида и

механичните характеристики на почвите, така и от водното ниво в тях. Под водното ниво се формират откоси, чиито наклон се определя от ус-тойчивостта на съответната почва под вода, а размерът на сводовете над тях – от формирането на устойчив свод, с ширина, зависеща от ъгъла на устойчивия

12

3

3

Формиране на кухина в покриващите почви при наличие на водно

покривка от дисперсни почви; 2 – устойчива сводообразна кухина ІІІ отвор в тавана на карстовата каверна;

ниво на подземните води в покриващите карста дис-

При нива на подземните води, разположени над окарстените скали

Теоретични предпоставки за образуване на устойчиви сводове от

Повърхността на този свод всъщност очертава границата между зона-та на догранично равновесие на почвата и зоната на надгранично равновесие. Под очертанието на свода, якостта на почвата е надмината от натоварването, пластичните деформации довеждат до развитие на премествания и разруша-

ване на почвата. Тези сводове са сравнително ниски и с характерна куполооразна форма, което се установява и от наблюдения на засводена почва над карстови каверни. Зенков (1964) в своите изследвания определя крайна ширна на кухината (отвора на силоза), при която може да се оформи устойчив свод. Много подобно на внезапното отваряне на капака нато пропадане на тавана на карстовата каверна под покриващите почви.

Фигура 2.7 Оформяне на свод над отверстие в силоз или над каверна (по Зеков, 1964)

Максималният диаметър, при който м

� ���������

Височината на свода се определя с израза:

�� � �����

�����

Минималната дебелина, при която може да се образува такъв усточив свод се определя с израза

�� � �� �����

При проява на ефекта на "ефекта на всмукване" (Jianyi,. Jian, 1987) допълнителната "всмукваща" сила - ∆P, действаща върху горележащите пови, за приблизително кръгла форма на карстовата каверна се определя по формулата:

�� ������ �

�,

където D – диаметър на карстовата каверна, товите води; ggggw – обемно тегло на водата.

Теоретични предпоставки за развитие на засводяване от вт

В този случай стабилизация на свода може да се получи само при нличие на реакция (опора) в долната част, каквато роля играе крепежът на тнела или таванът на карстовата кухина, т. е. има само частично преместване на почвата към кухината. В този случай се развиват трите основни деформционни зони, установени от проучванията на различни автори гранично равновесие, в която се развиват пластични деформации и премес

14

ване на почвата. Тези сводове са сравнително ниски и с характерна куполооб-то се установява и от наблюдения на засводена почва над

в своите изследвания определя крайна шири-на на кухината (отвора на силоза), при която може да се оформи устойчив свод. Много подобно на внезапното отваряне на капака на силоза е внезапно-то пропадане на тавана на карстовата каверна под покриващите почви.

Оформяне на свод над отверстие в силоз или над каверна (по Зен-

аксималният диаметър, при който може да се образува свод е:

(2.1)

Височината на свода се определя с израза:

(2.2)

Минималната дебелина, при която може да се образува такъв устой-

�������

������

(2.3)

При проява на ефекта на "ефекта на всмукване" (Jianyi,. Jian, 1987) , действаща върху горележащите поч-

форма на карстовата каверна се определя по

(2.4)

диаметър на карстовата каверна, ∆H – разлика в нивата на карс-обемно тегло на водата.

Теоретични предпоставки за развитие на засводяване от втори тип

В този случай стабилизация на свода може да се получи само при на-личие на реакция (опора) в долната част, каквато роля играе крепежът на ту-нела или таванът на карстовата кухина, т. е. има само частично преместване

лучай се развиват трите основни деформа-ционни зони, установени от проучванията на различни автори – зона на над-гранично равновесие, в която се развиват пластични деформации и премест-

15

вания на почвените частици към крепежа на тунела; зона на догранично рав-новесие, която се поделя на две – зона с пластични деформации и зона с елас-тични затихващи деформации.

Фигура 2.8 Формиране на сводове над тунел по класическата теория на Terzhagi, 1936

При липса на крепеж (какъвто е случаят на образуване на карстова

кухина, особено ако в каверната протича река, която отнася пропадналите в нея почвени маси), зоната на пластични деформации може да се развие до повърхността, довеждайки до слягане. Това е основната разлика от първия тип засводяване, което се проявява и без укрепване и зависи от ширината на кухината. За проявяване на този сводов ефект е необходима значителна дебе-лина на покриващите почви, която да надвишава поне 5 пъти полуширината на каверната или тунела.

Теоретични предпоставки за формиране на сводови кухини от трети

тип

Формирането на сводове при наличие на водно ниво в покриващите почви зависи от ъгъла на естествения откос на почвите под вода, който за несвързани и слабо свързани почви може да се определи от уравнението за равновесие на почвата под вода при въздействие на хидродинамичен натиск в посока към откоса:

αγαγ

ϕαγη

sin

cos1

′+

′==

tgn

tg

w (2.9)

където a – ъгъл на откоса под вода; g' – обемно тегло на почвата под вода;

gw – обемно тегло на водата; f – ъгъл на вътрешно триене; h – коефициент на устойчивост.

Ширината 2b и височината hv на свода, който се формира над водно-то ниво зависи от ширината на карстовата каверна 2l, увеличена с ширината от откосите под вода. Височината на устойчивия свод - hv се определя от изра-за 2.3.

Фигура 2.9 Схема на свод в покриващите карста почви при наличие на водно ниво: a – ъгъл на наклона на откосите под вода; тавана на карстовата каверна; hw – височина на водния стълб в дисперсните почви над окарстените скали; d/2 – полуширина (радиус) на кухината в пориващите карста почви; hv – височина на свода. Останалите означения са като при фиг. 2.5.

2.3 Поява на карстовите деформации на повърхността

Фигура 2.10 Етапи на поява на пропадането на повърхността Основният параметър, който се определя при изчисляването на уст

йчивостта на покриващите почви е критичният радиус (диаметър) на карствата кухина – rcr Съществуват няколко основни решения за изчисляване на критичния радиус, базирани на обемното тегло на покриващите почви якостните параметри на почвата – f и с, както и на дебелината на покриващте карстовата кухина почви – h.

2.3.1 Решение на Шахунянц Решение на Савин – Хусаинов Решение на Троицкий с отчитане на влиянието на фундаментите

прекв

прпрпр

прhq

Mtgch&tghchr

γ

ϕϕγ

+

−+=

22 2

)](1ln[

2

Hpc

tg

Htgr cr

γϕλ

ϕλ

++

=

i

ijj

q

fhcd

∑ ∑∆+=

)(40

16

Схема на свод в покриващите карста почви при наличие на водно

ъгъл на наклона на откосите под вода; l – полуширина на отвора в височина на водния стълб в дисперсните полуширина (радиус) на кухината в пок-

височина на свода. Останалите означения са като

Поява на карстовите деформации на повърхността

Етапи на поява на пропадането на повърхността

Основният параметър, който се определя при изчисляването на усто-йчивостта на покриващите почви е критичният радиус (диаметър) на карсто-

Съществуват няколко основни решения за изчисляване на критичния радиус, базирани на обемното тегло на покриващите почви – γ,

, както и на дебелината на покриващи-

Решение на Троицкий с отчитане на влиянието на фундаментите

17

qi = αjp0 + γj∆hj + Σ (γi∆hi); qi – средно натоварване под фундамента, α –

коефициент на разпределение на напреженията в дълбочина; р0 – напрежение по подложката на фундамента; i – номер на почвения слой, залягащ над слой j.

2.3.2 Определяне на диаметъра на негативната форма на повърх-ността

Появата на пропадането на земната повърхност често, поради сводо-вия ефект не е с пълния диаметър. Получават се надвиснали площадки, които постепенно се обрушват до достигане на пълния диаметър или до образуване-то на фуниеобразен отвор с наклонени стени. Впоследствие фуниеобразният отвор постепенно се изглажда, наклонът става все по-полегат до достигане приблизително на ъгъла на естествения откос за съответната разновидност.

Основните изводи, които могат да бъдат направени от представения в Глава 2 материал са следните:

1) Съществуват различни класификации за инженерни цели на про-явените на повърхността на терена негативни карстови форми, като авторът е подбрал подходящите по негово мнение за нашата страна. Въведени са и ня-кои понятия, които отсъстват в нашата литература.

2) Определени са основните механизми на разрушаване на таваните на карстовите каверни, но проучванията върху механизма на възникване на кухини и развитие на деформации в покриващите карста почви са недостатъ-чно изяснени. Поради липса на достатъчно данни в литературните източници, авторът използва по аналогия изследвания, правени върху сводовия ефект при силози, тунели и минни изработки.

3) Един от приносите на настоящия труд е, че при анализа на раз-лични изследвания и от собствени наблюдения в карстови терени авторът установява, че в покриващите почви над окарстените скали могат да се фор-мират три типа засводяване, не е установено в използваните литературни източници.

4) В световната литература сравнително добре е изяснен и описан математически механизмът на проява на деформациите на повърхността, т. е . последният стадии от развитието на пропадането на терена.

Глава 3. КРИТЕРИИ И МЕТОДИКИ ЗА РАЙОНИРАНЕ НА КАРСТОВИТЕ ТЕРЕНИ ПО СТЕПЕН НА ОПАСНОСТ ОТ ПРОЯВА НА ВНЕЗАПНИ ПРОПАДАНИЯ

3.1 Хидрогеоложки критерии

3.1.1 Оценка на промитостта на карста - критерий на Моллов При Кп > 4, карстът е

достатъчно добре развит. −−++

−++

+++

++=

rClrSOrKr&a

rHCOrMgrCaK п 2

4

322

18

3.1.2 Термодинамична оценка на посоката на развитие на карсто-вите процеси – разтваряне или отлагане (Великов, 1986)

При Iк,д < 0 и Кнк,д < 1 водата е ненаситена спрямо съответния ми-нерал (калцит или доломит) и може да го разтваря.

При Iк,д > 0 и Кнк,д > 1 водата е преситена и може да отлага съответ-ния материал.

3.1.3 Кинетична оценка на карстовите процеси D = AB∆C, където D–денудация (йонен отток)– [m3/km2.год], А–

емпирична константа, свързана с филтрационната среда; В – модул на подземния отток; С –концентрацията или концентрационен градиент на ком-понентите, разтваряни в подземните води.

3.1.4 Колебания (флуктуации) на нивото на подземните води

3.2 Инженерногеоложки критерии

3.2.1 Възможност за образуване и проява на изцяло суфозионни карстови деформации и форми.

Например при изпълнение на критерия на Терцаги - Замарин d60/d10 > 20 и Iкр >5

3.2.2 Дебелина и свойства на почвената покривка

3.2.3 Критичен радиус (критичен диаметър) на карстовата ка-верна при покрит карст

3.2.4 Засводяване в покриващите почви Положителното въздействие на засводяването - когато в покриващи-

те почви се образува устойчив свод, който може много дълго време да не се разруши.

Отрицателното въздействие на сводообразуването – намаляване на дебелината на почвите над карстовата празнина.

3.2.5 Критична ширина на тавана на карстовите каверни

3.3 Пространствени критерии

3.3.1 Плътност на негативните карстови форми на повърхност-та

Брой негативни карстови форми (пропадания, слягания) на единица площ.

3.3.2 Интензивност на проява на негативните карстови форми на повърхността

Поява на нови пропадания (по брой, сумарна площ или обем) за годи-на на площ 1 km2.

19

3.4 Тектонски критерии Връзката между броя на негативните карстови форми на повърхност-

та на терена и разломните структури.

3.5 Статистическо-вероятностни критерии

3.5.1 Посока и ориентация на полето на негативните карстови форми

Методиката е разработена от немски и руски учени - Reuter F., Molek H., Толмачов В. (1990) и се основава на отношението на направленията, в които възникват нови пропадания или слагания към старите такива. Ориента-цията на “полето на пропаданията” е направлението, около което се групират негативните карстови форми.

3.5.2 Вероятностни граници на полето от негативни карстови форми

3.6 Методики за оценка на опасността от проява на карстови деформации на повърхността на терена

3.6.1 Качествени оценки на опасността от проява на карстови деформации

Различните фактори, които влияят върху проявата на пропаданията и деформациите се оценяват с определен брой точки (Cheng Guoliang, 1997).

3.6.2 Количествени и обобщени оценки на опасността от проява на карстови деформации

Методика, основана на комплексно разглеждане на факторите, влия-ещи на развитието на карстовия процес е разработена от Кожевникова (1984).

3.6.3 Вероятностни оценки на опасността от проява на карстови деформации

Възможните координати и диаметри на пропаданията се задават като случайни числа, след което се построяват интегралните им функции на раз-пределение и чрез изчисления при зададена надеждност се определя най-вероятния критичен отвор и местоположението му под съоръжението (метод Монте Карло).

3.7 Подбор на критерии за оценка на опасността от проява на карстови деформации на повърхността в България

3.7.1 Кратка характеристика на карста в България В дисертацията е направена характеристика на карста в България по

райони, съвпадащи с районирането на Вл. Попов, 1971. Характеризирани са и условията за строителство в карстовите райони. Основните характеристики са следните:

20

- Карстът в България е развит изключително в карбонатни седименти с различна възраст. Много малки части са концентрирани в гипсовите нахо-дища около Кошава и солния щок край Провадия.

- Основно негативни форми са образувани по тектонски нарушения; - В равнинните и котловинните участъци, в по-голямата си част кар-

стът е покрит с дисперсни почви.

3.7.2 Избор на основни показатели за оценка на опасността от проява на карстови деформации на повърхността в България

Тектонски критерий - връзката между разломните структури и нега-тивните карстови форми.

Пространствен критерий - гъстотата (плътността) на карстовите прояви на дадената територия.

Хидрогеоложки критерий - дълбочина и колебание на нивата на подземните води

Хидрохимични критерии - за степента на развитие на карста и посока-та на взаимодействие между водата и окарстените скали.

Инженерногеоложки критерии: � дебелина и свойства на почвената покривка при покрит карст; � възможност за образуване на сводове в покриващите карста почви; � критичен радиус (диаметър) на карстовите каверни при покрит

карст; � критична ширина на тавана на карстовите каверни. Основните изводи от Глава 3 са следните: 1) Съществуват множество методи за райониране на терените по

степен на опасност, като повечето от тях са базирани на отделни или обобще-ни критерии.

2) Практически липсват методики, които за райониране на карсто-вите терени по степен на опасност от възникване на внезапни пропадания, базирани на инженерногеоложки критерии и на геотехническите свойства на окарстените скали и на покриващите почви.

3) На база на условията за развитие на карста в нашата страна, от автора са подбрани спецефичните за условията на България показатели, по които може да бъде направена оценка на опасността от възникване на внезап-ни пропадания при строителство в карстови терени, както и за районирането на карстовите територии по степен на такава опасност.

21

Глава 4. ИЗСЛЕДВАНИЯ И АНАЛИЗИ НА АВТОРА ВЪРХУ МЕХАНИЗМИТЕ И ОПАСНОСТТА ОТ ВЪЗНИКВАНЕ НА ВНЕЗАПНИ ПРОПАДАНИЯ

Изследванията имат основна цел да се разработи конкретна методика за райониране на опасността от проява на негативни за строителството карс-тови деформации в България.

4.1 Обща характеристика на Каменополско-Карлуковски карс-тов район

Фигура 4.1 Геоложка карта на района (на база на Геоложка карта на България, М 1:100000). 1 - 9. Литостратиграфски единици: 1. Кайлъшка свита(kK2m); 2. Мездренска свита (mzK2cp-m); 3. Дерманска, Новаченска, и Румянцевска свити (III,VIK2cp-m); 4. Каленска свита(kaK2st); 5. Романска свита(rmK1ap-a); 6. Малопещенска свита(mpK1a); 7. Палеогенски отложения; 8. Неогенски отло-жения; 9. Кватернерни отложения.

Изследваният район обхваща разкритията на горната креда в поречи-

ето на Искър между гр. Роман и гр. Червен бряг. Развитието на карста в райо-на е свързано с мощните пластове от кампан - маастрихтски варовици. Групи-рани са по стратиграфски белези в няколко свити, отделени от Монов (1991),

Карлуковски под-район

Каменополски под-район

Габаревски под-район

22

Джуранов, Иванов, Йолкичев (1993). Това са отгоре - надолу Кайлъшка свита (горен маастрихт) - бели до кремави “кариерни варовици” с високо карбонат-но съдържание, достигащо до 98%, Мездренска кремъчно-карбонатна свита (долен маастрихт) с голямо съдържание на силициево вещество и кремъчни конкреции във варовиците, Кунинска свита (долен маастрихт) - главно глине-сти варовици.

4.1.1 Карстови подрайони По геоложки, тектонски и хидрогеоложки признаци, проучваният ра-

йон е разделен на три подрайона: 1) Карлуковски карстов подрайон, обхващащ територията между

р. Златна Панега и р. Искър. В тектонско отношение съвпада с източната част на Карлуковската синклинала, запълнена с кредни варовици от Мездренската и Кайлъшката свити, оголени в западната част, а в източната покрити от нео-генски глини и кватернерни прахови глинести пясъци и глини. Общата окарс-тена площ на Карлуковския карстов подрайон е 72 km2.

2) Каменополски карстов подрайон – обхваща територията запад-но от р. Искър до р. Скът, като заема Каменополската синклинала и западната част на Карлуковската синклинала. На повърхността се разкриват основно варовици на Кайлъшката свита, покрити с тънка почвена покривка, предста-вена от прахови глинести пясъци и прахово-песъчливи глини в централната част на подрайона. В подрайона е формиран самостоятелен карстов басейн, който се дренира чрез извори в р. Ръчане и р. Искър. Общата окарстена площ на Каменополския карстов подрайон е 119 km2.

3) Габаревски карстов подрайон, заемащ едноименната синклина-ла и отделен от Каменополския подрайон тектонски и хидрогеоложки чрез Драшанската антиклинала. Запълнен е с варовици на Кайлъшката и мездренс-ката свити, които са с неголяма мощност. В северната си част са покрити със сравнително дебел пласт неогенски глини и кватернерни прахови глини. В тях е формиран самостоятелен карстов басейн със слаба водообилност, който се дренира основно чрез извора „Езерото” при с. Габаре и малки извори по поре-чието на р. Габаревска. Общата окарстена площ на Габаревския карстов под-район е 93 km2.

4.2 Изследване на връзката между разломите, плътността на нгативните карстови форми и движението на подземните води (Приложние на количествени и тектонски критерии

4.2.1 Определяне произхода на напукаността и линейните струтури

Фигура 4.2 Структурна и роз-диаграми на пукнатинни системи, на пещерни галерии, морфолинеаменти и главни пукнатинни системи (по Шанов, 1983, 1986) А. Главни пукнатинни системи; B. Дължини на хоризонтални пещерни галрии; С. Дължина на главни морфолинеаменти; D. Гъстота на морфолинеамети на 1 km2 - М 1 cm - 5 бр.

Извод: Преобладаващата част от морфолинеаменти е в района са

следствие на същите тектонски напрежения, предизвикали напукванията в скалите. При това положение повечето линейни нарушения се явяват повърностни очертания на разломни зони (найцентрация на опънни пукнатини.

23

Изследване на връзката между разломите, плътността на не-гативните карстови форми и движението на подземните води (Приложе-

критерии за оценка на опасността)

Определяне произхода на напукаността и линейните струк-

диаграми на пукнатинни системи, направления

на пещерни галерии, морфолинеаменти и главни пукнатинни системи (по

А. Главни пукнатинни системи; B. Дължини на хоризонтални пещерни гале-рии; С. Дължина на главни морфолинеаменти; D. Гъстота на морфолинеамен-

Преобладаващата част от морфолинеаменти е в района са следствие на същите тектонски напрежения, предизвикали напукванията в скалите. При това положение повечето линейни нарушения се явяват повърх-ностни очертания на разломни зони (най-вероятно разседи) или зони с кон-

24

4.2.2 Определяне на гъстотата (плътността на карстовите форми)

- зона с плътност над 10 карстови форми на km2 - зона с плътност под 10 карстови форми на km2 Фигура 4.3 Плътност на негативните карстови форми

4.2.3 Връзка между разломните зони, плътността на карстовите форми и движението на подземните води

Ясно се оформят основните направления на развитие на окарстяване-то, като окарстените зони сравнително добре съвпадат с направленията на развитие на главните системи пукнатини на опън. Могат да се отделят и осно-вните структуроопределящи разломи в района, които са оказали главно влия-ние върху развитието на окарстяването.

Това са Драшан-Лазарстаневския, Каменополско-Дерманския, Кунин-ския, Луковитския, Петревенския и Реселешкия разломи. Освен това при ло-кализирането на по-големите вертикални пещери се установява, че най-дълбоките от тях съвпадат с центровете на най-голяма гъстота на негативните форми, т. е. това са зони с най-голяма концентрация на пукнатини.

25

Фигура 4.4 Връзка между разломните зони, плътността на карстовите форми и изворите - карстови извори: 1. “Езерото”- с. Габаре; 2. “Драгиево езеро”; 3. “Дичково езеро”; 4. “Дяволската воденица”; 5. “Сухото езеро”; 6. “Глигора”; 7. “Аверковица”; 8. “Патиците”; 9. “Под моста”; 10. “Под язовира”; 11. “Сан-диката”; 12. “Скравеника”; 13. “Белия извор”; 14. “Черния извор”.

Основните изводи, които може да се направят от това проучване са

следните: 1) Развитието на окарстяване по пукнатини, успоредни на разломите

(разседи и отседи), т. е. по пукнатините на опън и срязване говори за ранен етап на развитие на карста, главно по тектонските зони.

2) Обособените карстови зони маркират границите на тектонски бло-кове, където са натрупани най-големите напрежения.

3) Наличието на извори, съвпадащи с направленията на разломите и окарстените зони говори за движението на подземните води именно по тези участъци и активен карстов процес.

4) Бъдещото развитие на карста за периода на съществуване на даде-но инженерно съоръжение може да се очаква в рамките на тези зони, на ши-рина, определена от крайните точки на известните карстови каверни.

4.3 Хидрохимични и физикохимични проучвания на карстовите подземни води в района (Приложение на хидрохимичните показатели за оценка на опасността)

4.3.1 Оценка на степента на промитост на карста по критерия на Моллов Таблица 4.1 Коефициента на промитост на карста

Извор Ca

(mgeq/l) Mg

(mgeq/l) HCO3

(mgeq/l)Карлуковски подрайон

Под язовира гр. Луковит 7,33 0,25 6,83 Сандиката гр. Луковит 8,73 0,79 9,02 Под моста, Карлуково 7,17 0,00 5,93 Патиците, Карлуково 6,56 0,84 6,50

Каменополски подрайонГлигора, Карлуково 7,40 0,40 7,11 Дичково езеро, Кам. Поле

6,76 0,34 6,15

Драгиево езеро, Кам. Поле

6,50 0,70 5,90

Дяволската воденица, Кунино

5,80 0,80 5,60

Синия вир, Кунино 4,46 1,14 5,65 Габаревски подрайон

Езерото, Габаре 8,17 0,41 7,68

Коефициентът на промитост на карста е над 4, което говори за сра

нително старо, добре развито окарстяване с наличие на множество открити каверни. Таблица 4.2 Състав на подземните води в различни периодина автора)

Окарстяването е развито основно по

по които е основното движени на подземните води през периодите на пълнводие.

26

Хидрохимични и физикохимични проучвания на карстовите подземни води в района (Приложение на хидрохимичните показатели за

Оценка на степента на промитост на карста по критерия

Коефициента на промитост на карста (от изследвания на автора) 3

(mgeq/l) Na

(mgeq/l) K

(mgeq/l) SO4

(mgeq/l) Cl

(mgeq/l) K

Карлуковски подрайон 0,25 0,03 0,48 0,21 15,04 0,23 0,01 0,37 0,19 23,16 0,02 0,00 0,35 0,22 21,79 0,01 0,01 0,39 0,17 24,13

Каменополски подрайон 0,44 0,03 0,33 0,25 14,28

0,55 0,15 0,67 0,62 6,67

0,13 0,01 0,64 0,35 11,50

0,16 0,01 0,44 0,22 14,77

1,13 0,02 0,52 0,24 5,89 Габаревски подрайон

0,05 0,00 0,37 0,22 25,08

Коефициентът на промитост на карста е над 4, което говори за срав-нително старо, добре развито окарстяване с наличие на множество открити

Състав на подземните води в различни периоди (от изследвания

Окарстяването е развито основно по големите тектонски нарушения, по които е основното движени на подземните води през периодите на пълно-

4.3.2 Термодинамична оценка за развитието на карстовите прцеси в района

Таблица 4.3 Индекс на равновесност и коефициент на насищане на карстовите подземни води (от изследвания на автора)

4.3.3 Кинетична оценка за развитието на карстовите процеси оценка на карстовата денудация.

Таблица 4.4 Оценка на карстовата денудация

Основните изводи от изследването са следните: 1) Карстът в района е добре развит и „промит”, с наличие на множе

тво каверни. 2) Окарстяването е главно по големите тектонски нарушения и пукн

тини, по които преминават основните водни потоци при пълноводие. 3) Карстовите процеси протичат и понастоящем, тъй като карстовите

подземни води са агресивни и ненаситени спрямо калцит. 4) Взаимодействието между водата и скалите е в посока „разтваряне”,

което говори за непрекъснато увеличаване на размерите и броя на каверните и кухините в района, което повишава степента на опасност за строителството.

27

Термодинамична оценка за развитието на карстовите про-

весност и коефициент на насищане на карстовите

(от изследвания на автора)

Кинетична оценка за развитието на карстовите процеси –

вата денудация (от изследвания на автора)

Основните изводи от изследването са следните: 1) Карстът в района е добре развит и „промит”, с наличие на множес-

2) Окарстяването е главно по големите тектонски нарушения и пукна-тини, по които преминават основните водни потоци при пълноводие.

3) Карстовите процеси протичат и понастоящем, тъй като карстовите подземни води са агресивни и ненаситени спрямо калцит.

4) Взаимодействието между водата и скалите е в посока „разтваряне”, което говори за непрекъснато увеличаване на размерите и броя на каверните и кухините в района, което повишава степента на опасност за строителството.

4.4 Изследвания и приложение на геотехническите показатели за оценка на опасността от възникване на внезапни

4.4.1 Геотехнически свойства на варовиците от скалната подлжка (bedrock)

Таблица 4.5 Физични и якостни свойства на варовиците ок Кайлъшката свита в района по литературни данни от кариери в района

4.4.2 Геотехнически свойства на покриващите карста почви (regolith)

Осреднените физико-механични показатели на покриващите карста почви са определени на база на анализ на изследвания, правени при геоложки проучвания в района (Костадинов, Зидарова и кол., 1960) характеристиките, от почвите, покриващи окарстените скали в трите подрйона бяха взети нарушени почвени проби, които са изследвани в Лабораторята по земна и скална механика към кат. Геотехника на УАСГ от техн. Таня Младенова.

Таблица 4.6 Осреднени якостни и деформационни показатели на покриващите почви

Карстов подрайон Вид почва Възраст

Карлуковски (източна част)

Прахови глини Qdel

Каменополски (цент-рална част)

Прахови и песъчливи глини

Qdel

Габаревски (северна и западна част)

Прахови глини Qdel

28

Изследвания и приложение на геотехническите показатели за оценка на опасността от възникване на внезапни пропадания

свойства на варовиците от скалната подло-

Физични и якостни свойства на варовиците ок Кайлъшката свита

в района по литературни данни от кариери в района

Геотехнически свойства на покриващите карста почви

механични показатели на покриващите карста почви са определени на база на анализ на изследвания, правени при геоложки проучвания в района (Костадинов, Зидарова и кол., 1960) За уточняване на характеристиките, от почвите, покриващи окарстените скали в трите подра-йона бяха взети нарушени почвени проби, които са изследвани в Лаборатори-ята по земна и скална механика към кат. Геотехника на УАСГ от техн. Таня

Осреднени якостни и деформационни показатели на покриващите

Възраст Обемно тегло kN/m3

φ

……0 с

kN/m2

Общ деформа-ционен модул –

Еd, МРа

del 19.4 20.5 27.5 15.0

del

18.2 21.5 20.0 13.5

del 20.1 20.0 25.0 17.0

4.4.3 Изследване на устойчивостта на тавана на карстовите кверни в района

Експериментални изследвания, базирани на теорията на пукнатин

те и механиката на разрушението

Основни предпоставки: 1) В литературата няма данни за подобни изследвания на карстови к

верни. 2) В скалите съществуват множество първични пукнатини,

предпоставка за тяхното увеличаване при натоварване на таваните на карствите каверни.

3) Наличието на вертикална пукнатина в централната част на тавана е често срещана и характерна черта за карстовите каверни и галерии.

4) Голяма част от карстовите каверни са развити успоредно на наплстяването, като разрушаването на таваните става чрез "отлюспване" на скални блокове (части от пластовете) от тавана на каверните.

Изпитванията се направиха в лаборатрията на Геологическия институт на БАН с хидра“Fritz Heckert” чрез постепенно повшане на образеца. Изследвани са по три пробни тела от варовици от ском. Пладнището № 2 зец № 3

Габаре.

Таблица 4.7 Критичен коефициент на интензивност на напреженията изчислена якост на опън при огъване за варовици от изследвания

29

Изследване на устойчивостта на тавана на карстовите ка-

Експериментални изследвания, базирани на теорията на пукнатини-

1) В литературата няма данни за подобни изследвания на карстови ка-

2) В скалите съществуват множество първични пукнатини, които са предпоставка за тяхното увеличаване при натоварване на таваните на карсто-

3) Наличието на вертикална пукнатина в централната част на тавана е често срещана и характерна черта за карстовите каверни и галерии.

вите каверни са развити успоредно на напла-стяването, като разрушаването на таваните става чрез "отлюспване" на скални блокове (части от пластовете) от тавана на каверните.

Изпитванията се направиха в лаборато-рията на Геологическия институт на БАН с хидравлична 10 тонна преса “Fritz Heckert” чрез постепенно пови-аване на натоварването до разрушава-

не на образеца. Изследвани са по три пробни тела от варовици от Каменопол-ско-Карлуковския район: образец № 1 – м. Пладнището – с. Карлуково; образец № 2 – м. Глигора – с. Карлуково; обра-зец № 3 – между с. Камено поле и с.

Критичен коефициент на интензивност на напреженията - Kik и

изчислена якост на опън при огъване за варовици от изследвания район

Таблица 4.8 Средна критична ширина на таваните на карстовите каверни в района - lk

Математическо моделиране на разрушаването на таваните на ка

стовите каверни

Фигура 4.5 Моделиране на разрушаването на тавана на карстова каверна с Plaxis

Таблица 4.9 Якостни параметри на варовиците в района, получени чрез матматическо моделиране

4.4.4 Приложение на изследванията за практическа оценка на опасността от разрушаване на таваните на карстови каверни

Отношението на критичната ширина на тавана на карстовите каверни към установената при проучванията действителна ширина мчрез въведен от автора коефициент на устойчивост

30

Средна критична ширина на таваните на карстовите каверни в

Математическо моделиране на разрушаването на таваните на кар-

Моделиране на разрушаването на тавана на карстова каверна с

Якостни параметри на варовиците в района, получени чрез мате-

Приложение на изследванията за практическа оценка на

опасността от разрушаване на таваните на карстови каверни Отношението на критичната ширина на тавана на карстовите каверни

към установената при проучванията действителна ширина може да се изрази чрез въведен от автора коефициент на устойчивост.

31

Таблица 4.10 Коефициент на устойчивост на таваните на някои пещери

4.4.5 Приложение на критичната ширина за оценка на устойчиво-

стта на окарстени скални откоси Методиката беше приложена и за определяне на устойчивостта на

окарстените скални откоси над гр. Провадия, във връзка с тяхното укрепване от през 2002 г.

Фигура 4.6 Пещери "Проходна", "Свирчовица", "Душника", "Калето" – Про-вадия

Определяне на времето за разрушаване на таваните на някои карс-

тови каверни на базата на изчислената денудация и изветрителните проце-

си

Вследствие на денудацията постепенно се изнася слой карбонатно вещество от стените на карстовите каверни, като този процес протича не само под нивата на подземните води, а и вследствие на кондензационните води, стичащи се по стените на карстовите каверни. За подземните откоси, при не-изменни климатични фактори, разрушаването е изключително за сметка на химическата денудация, като за Каменополско-Карлуковския район се изменя от 2,2 до 5,7 cm/1000 a.

Съгласно изследванията на Косев (1993) средната скорост на мразово и химично изветряване на варовика в района при открити напукани откоси е 1,6 mm/a. С оглед на защитеността на стените и тавана на привходните части на пещерите от преки атмосферни влияния и от преки наблюдения на автора може да се приеме, че средната скорост на изветряване на привходните части на каверните е около 5 mm/10a или 0,5 mm/a. При анализа не са взети предвид допълнителни натоварвания от земетресения, от сгради и транспортни средс-тва, какъвто е случаят при пещерата "Проходна", което допълнително скъсява "времето за живот" на карстовата каверна.

32

Таблица 4.11 Приблизителна скорост на естествено разрушаване на тавана на пещера "Проходна"

Местоположение Години Средна дебели-на на тавана

(m)

Критична ширина - Lcr

(m)

Действителна ширина – L, m

Коефициент на устойчивост

с. Карлуково, пещера "Проходна"

0 10.00 30.35 25.00 1.21 1000 7.50 29.90 26.00 1.15 3000 6.50 28.85 28.00 1.03 4000 6,00 28.27 29,00 0.97

4.4.6 Изследване на влиянието на дебелината и свойствата на по-чвената покривка върху възможността за проява на внезапни пропадания на терена

а b c Фигура 4.7 Връзка между дебелината на почвената покривка и броят устано-вени на повърхността негативни карстови форми. а) Карлуковски подрайон; b) Каменополски подрайон; с) Габаревски подрайон

Таблица 4.12 Определяне на критичния радиус (диаметър) при който е възмо-жно пропадане на покриващите почви по цилиндрична повърхнина (по Ша-хунянц – Савин – Хусаинов, 1984)

Подрайон Дебелина на

почвения слой - Н (m)

Коеф. на страничен

натиск Ki = 1 - sih (ϕϕϕϕi)

Ъгъл на вътрешно триене

- ϕϕϕϕi (Deg)

Кохезия с (kPa)

Обемно тегло - γγγγ (kR/m3)

Натоварва не - Р0 (kPa)

rcr (m) dcr (m)

Карлуковски

1.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 3.07 6.14 2.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 3.30 6.59 3.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 3.51 7.03 4.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 3.72 7.45 5.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 3.93 7.85 6.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 4.12 8.24 7.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 4.31 8.63 8.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 4.50 9.00 9.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 4.69 9.37 10.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 4.87 9.73 15.00 0.65 20.50 27.50 19.40 0.00 5.73 11.45

Каменополски

1.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 2.44 4.88 2.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 2.67 5.33 3.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 2.88 5.76 4.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 3.09 6.18 5.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 3.29 6.58 6.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 3.48 6.97 7.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 3.67 7.34 8.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 3.86 7.71 9.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 4.04 8.07 10.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 4.21 8.42 15.00 0.63 21.50 20.00 18.20 0.00 5.05 10.10

Габаревски

1.00 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 2.72 5.44 2.00 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 2.94 5.88 3.00 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 3.15 6.30 4.00 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 3.35 6.71 5.94 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 3.73 7.46 6.00 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 3.74 7.48 7.00 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 3.93 7.86 8.00 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 4.11 8.22 9.00 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 4.29 8.58 10.00 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 4.46 8.92 15.00 0.66 20.00 25.00 20.10 0.00 5.29 10.58

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Дебелина на почвената покривка, m

Брой карстови форми

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Дебелина на почвената покривка, m

Брой карстови форми

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Дебелина на почвената покривка, m

Брой карстови форми

При метода, разработен от Троицкийаметър – d0 на карстовата каверна е определен, като е взето предвид натоваването от евентуални фундаменти. Таблица 4.13 Критичен диаметър – d0, определен по Троицкий при зададено натоварване от фундамент с размери 1 х 2 m

Подрайон Дебелина на

почвения слой - Н (m)

Коеф. на разпределение на напреженията в дълбочина - αααα

Натоварва не - Р0

(kPa)

Ъгъл на вътрешно триене - ϕϕϕϕi

(Deg)

Карлуковски

1.00 0.1999 200.00 20.50 2.00 0.1202 200.00 20.50 3.00 0.0732 200.00 20.50 4.00 0.0474 200.00 20.50 5.00 0.0328 200.00 20.50 6.00 0.0238 200.00 20.50 7.00 0.0180 200.00 20.50 8.00 0.0140 200.00 20.50 9.00 0.0112 200.00 20.50 10.00 0.0092 200.00 20.50 15.00 0.0080 200.00 20.50

Каменополски

1.00 0.1999 200.00 21.50 2.00 0.1202 200.00 21.50 3.00 0.0732 200.00 21.50 4.00 0.0474 200.00 21.50 5.00 0.0328 200.00 21.50 6.00 0.0238 200.00 21.50 7.00 0.0180 200.00 21.50 8.00 0.0140 200.00 21.50 9.00 0.0112 200.00 21.50 10.00 0.0092 200.00 21.50 15.00 0.0080 200.00 21.50

Габаревски

1.00 0.1999 200.00 20.00 2.00 0.1202 200.00 20.00 3.00 0.0732 200.00 20.00 4.00 0.0474 200.00 20.00 5.00 0.0328 200.00 20.00 6.00 0.0238 200.00 20.00 7.00 0.0180 200.00 20.00 8.00 0.0140 200.00 20.00 9.00 0.0112 200.00 20.00 10.00 0.0092 200.00 20.00 15.00 0.0080 200.00 20.00

Определяне на крайния диаметър на проявеното пропадане на повъ

хността

Крайният устойчив диаметър на карстовата каверна величина при проектирането на фундаменти в карстови райони. Кривата на устойчивя откос на негативните карстови форми за Карлуковския подрайонпри максималната дебелина на почвената покривка Троицкий.

Фигура 4.8 Профил на устойчив откос за дебелина почвената покривка

33

метода, разработен от Троицкий (1983), критичният начален ди-на карстовата каверна е определен, като е взето предвид натовар-

, определен по Троицкий при зададено натоварване от фундамент с размери 1 х 2 m – Р0 = 2 kg/cm

2 (200 kPa) Кохезия с

(kPa)

Обемно тегло - γγγγ (kR/m3)

Ki = 1 - sih (ϕϕϕϕi) ∆fi

Натоварва-не в дълбо-

чина qi

(МРа)

dcr (m)

27.50 19.40 0.65 7.21 59.38 2.34 27.50 19.40 0.65 15.27 62.84 4.47 27.50 19.40 0.65 26.54 72.84 5.99 27.50 19.40 0.65 42.31 87.08 7.00 27.50 19.40 0.65 62.90 103.56 7.74 27.50 19.40 0.65 88.31 121.16 8.36 27.50 19.40 0.65 118.53 139.40 8.92 27.50 19.40 0.65 153.54 158.00 9.46 27.50 19.40 0.65 193.33 176.84 9.97 27.50 19.40 0.65 237.89 195.84 10.48 27.50 19.40 0.65 533.15 292.60 12.93 20.00 18.20 0.63 7.26 58.18 1.87 20.00 18.20 0.63 15.08 60.44 3.65 20.00 18.20 0.63 25.92 69.24 4.96 20.00 18.20 0.63 41.06 82.28 5.89 20.00 18.20 0.63 60.86 97.56 6.60 20.00 18.20 0.63 85.31 113.96 7.21 20.00 18.20 0.63 114.41 131.00 7.77 20.00 18.20 0.63 148.13 148.40 8.31 20.00 18.20 0.63 186.45 166.04 8.83 20.00 18.20 0.63 229.38 183.84 9.34 20.00 18.20 0.63 513.93 274.60 11.86 25.00 20.10 0.66 7.19 60.08 2.14 25.00 20.10 0.66 15.38 64.24 4.07 25.00 20.10 0.66 26.92 74.94 5.44 25.00 20.10 0.66 43.05 89.88 6.37 25.00 20.10 0.66 64.10 107.06 7.07 25.00 20.10 0.66 90.07 125.36 7.66 25.00 20.10 0.66 120.95 144.30 8.20 25.00 20.10 0.66 156.72 163.60 8.72 25.00 20.10 0.66 197.37 183.14 9.23 25.00 20.10 0.66 242.89 202.84 9.72 25.00 20.10 0.66 544.41 303.10 12.13

диаметър на проявеното пропадане на повър-

Крайният устойчив диаметър на карстовата каверна - dlim е основна величина при проектирането на фундаменти в карстови райони. Кривата на устойчивя откос на негативните карстови форми за Карлуковския подрайон, при максималната дебелина на почвената покривка - 15 m, е определена по

Профил на устойчив откос за дебелина почвената покривка - 15 m

34

Аналитично изчисление и компютърно моделиране на характеристи-

ките на сводове от първи тип за Каменополско-Карлуковския карстов район

Таблица 4.14 Характеристики на устойчивите сводове от първи тип в Карлу-ково-Каменополския район (по Зенков, 1964)

Район g,

kN/m3

f,

...0 c, kPa

Максимален диаметър на каверната за образуване на устойчив

свод и диаметър на свода – dv,

m

Максимален ширина на каверната за образуване на устойчив свод (при "безкрайна дължина" –

аv, m

Височина на устой-чив свод –hv, m

Минимална необходима дебелина на почвата над свода hmin, m

Обща необходима дебелина на почвата за формиране на устойчив свод hsum,

m

Критичен диаметър за пропадане по кръгово-цилиндрична повърхнина (по Савин – Хусаинов) –

dcr, m Карлуково 19.4 20.5 27.5 7.66 3.83 2.76 6.85 9.61 8.57 Камено поле

18.2 21.5 20 6.01 3.00

2.21 5.43

7.64 6.75

Габаре 20.1 20 25 6.68 3.34 2.38 5.94 8.32 7.46

Численото моделиране е извършено в специализираната компютърна

лаборатория на катедра "Геотехника" в УАСГ със софтуерен продукт "Plaxis", с помощта на ас. Д. Диков. Целта на моделирането е да бъдат проверени раз-лични варианти на ширина на карстовите каверни и възможността за възник-ване на пропадания при максималната дебелина на почвите в подрайона – hreg = 15 m. Почвените характеристики са взети на базата на изследвания на поч-вени проби. Изследването е направено за Карлуковския подрайон. В модела са зададени различни ширини на кухината в окарстените скали (от 1 до 14 m), при максимална действителна дебелина на покриващите почви в района.

Фигура 4.9 Формиране на устойчив свод (1-ви тип) до ширина на каверната 3 m и рязко нарастване на срязващите напрежения при ширина над 3 m (приб-лизително съвпадаща с максимално изчислената – 3,09 m). Фигура 4.10 Рязко нарастване на концентрацията на напреженията по цилин-дрична повърхнина при диаметър на каверната по-голям от 9 m.

35

От изследването могат да се изведат две условия за определяне на де-белината на покриващите почви, при която може да бъде очертана границата между зоните с висока и ниска опасност от проява на пропадания:

1) Общата дебелина на покриващите почви - hreg трябва да е равна или по-голяма от необходимата - hsum, за да се образуват устойчиви сводове (hreg > hsum).

2) При тази дебелина критичните диаметри за пропадане по цилин-дрична повърхнина - dcr трябва да са по-големи от диаметрите на сводовете – dv, за да няма възможност за пропадане (dcr > dv).

При изпълнениета на тези две условия, необходимата дебелината на почвите над окарстените скали, необходима за образуването на устойчив свод – hsum може да бъде приета като основа за очертаване на границата между зоните с висока и средна опасност. В случай, че при изчислената дебелина - hsum се установи, че dcr е по-малък от диаметъра на устойчивия свод - dv и про-падане е възможно, то за очертаване на границата между зоните с висока и средна опасност трябва да се избере такава дебелина на покриващите почви, при която dcr > dv.

В случая и в трите подрайона на Каменополско-Карлуковския карстов район е изпълнено второто условия (dcr > dv). Приемаме максималната дебе-лина от трите подрайона – 9.61 m (при Карлуковския подрайон), в полза на сигурността увеличена на 10 m, за гранична между зоните с висока и средна опасност.

Изследване на влиянието на дебелината на почвената покривка върху

устойчивостта на тавана на карстова каверна

Колкото по-голяма е дебелината на почвената покривка, толкова по-малка става критичната ширина, при която може да се обруши тавана на карс-товата каверна. В същото време с увеличаване на дебелината на почвената покривка се увеличава и критичният радиус, при който почвата може да про-падне и негативната деформация да се прояви на повърхността на терена. Може да се установи такава дебелина на покриващите почви, при която мак-сималната ширина на каверната е по-малка от критичния диаметър, при който може да се прояви пропадане по цилиндрична повърхнина. За изследване с Plaxis е избран Габаревския карстов подрайон, поради най-дебела неокарстена част на скалите, формиращи таваните на карстовите каверни – средно 12 m. Тези тавани в подрайона биха могли да понесат най-големи натоварвания от дисперсните почви над тях. Резултатите от изследването може да се използ-ват за целия Каменополско-Карлуковски район, тъй като биха се получили най-големи гранични дебелини.

36

Фигура 4.11 Определяне на безопасна дебелина на почвената покривка

От фигура 4.11 се вижда, че точката, в която се пресичат критичната

полуширина на карстовата каверна и критичният радиус за пропадане на пок-риващите почви по цилиндрична повърхнина без натоварване е при дебелина около 40 m. Над тази дебелина е практически невъзможно да се прояви вне-запно пропадане по цилиндрична повърхнина.

Числено моделиране на характеристиките на сводове от втори тип

за Карлуковския подрайон

Изследванията са направени за Карлуковския подрайон. Направени са два софтуерни експеримента. Първоначално с програмата PLAXIS при шири-на на изследваната област – 50 m. Впоследствие, за проверка и уточняване на резултатите, при разширена област (200 m) и използване на модул SIGMA/W на софтуера GEOStudio, подобен на PLAXIS. Експериментите имат познава-телна цел и търсене на отговор на въпроса: Ще се проявят ли деформации на терена при теоретична дебелина на дисперсните почви от 100 m, след "отва-ряне" на карстова каверна под тях? В моделите, при приета хипотетична дебе-лина на покриващите карста дисперсни почви – 100 m, са зададени различни ширини на отворена карстова каверна между 4 m и 20 m (при PLAXIS) и меж-ду 2 m и 20 m (при GEOStudio). Нарастващите стойности на модула на общи деформации в дълбочина са зададени като слоеве с увеличаващ се деформа-ционен модул (Bart & all., 2005). Резултатите от двата софтуерни експеримен-та са показани на фиг 4.12. По-високите стойности на слягането на терена при първия експеримент вероятно се дължат на по-тясната моделирана зона, но

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00

Деб

елина

на

поч

венат

а пок

ривк

а, m

Критична полуширина и критичен радиус, m

Зависимост между дебелината на почвите, критичния радиус за пропадане по цибиндрична повърхнина и критичната полуширина на

каверните в подрайон - Габаре без външно натоварване

Критична полуширина на карстовата каверна, m

развитието на деформациите е идентично ивнително бързо нарастване на сляганията на терена при ширина на отворилата се кухина над 4 m, което може да се обясни с разрушаването на устойчивите сводове от първи тип.

Фигура 4.12. Отношение на деформациите на повърхността на терена към ширината на отворила се карстова каверна при хипотетична дебелина на дисперсните почви над окарстените скали (полулогаритмичен мащаб). Ширина на моделната област: PLAXIS –

Основните изводи от моделирането са следните:1) При наличие на отворени кухини в скалната подложка, дори при

голяма дебелина на покриващите почви, могат да се появят слягяния на терна ако липсва "опора" от запълване на кухините с падналата

2) При наличие на воден поток, отнасящ падналата в карстовата кухина почва, сводовете от втори тип в дисперсните почви ще нарастват нерекъснато, премествайки разхлабената зона нагоре, до достигане на теренната повърхност. Тогава слягане или пропадане може да се прояви дори при повена покривка с дебелина, неколкократно надвишаваща 100 m.

3) Ширината на зоната, засегната от такова слягане надвишава знчително размерите на цилиндричните пропадания и зависи от дълбочината на кухината и геотехническите параметри на покриващите почви.

Аналитични изчисления на сводове от трети тип при наличие на

водно ниво в покриващите почви

Изследванията са чисто теоретични, тъй като в проучвания карстов район не са установени нива на подземните води в покриващите окарскали почви. Една от задачите на направения от автора анализ е да се устанви зависимост между нивото на подземните води и възможността за формране на устойчив свод над него. Тази зависимост би могла да се използва за оценка на опасността от формиране на такива кухини в карстови райони.

37

развитието на деформациите е идентично и при двата модела. Ясно личи сра-внително бързо нарастване на сляганията на терена при ширина на отворилата се кухина над 4 m, което може да се обясни с разрушаването на устойчивите

. Отношение на деформациите на повърхността на терена към

ширината на отворила се карстова каверна при хипотетична дебелина - 100 m на дисперсните почви над окарстените скали (полулогаритмичен мащаб).

50 m; GEOStudio – 200 m.

Основните изводи от моделирането са следните: При наличие на отворени кухини в скалната подложка, дори при

голяма дебелина на покриващите почви, могат да се появят слягяния на тере-на ако липсва "опора" от запълване на кухините с падналата в тях почва.

При наличие на воден поток, отнасящ падналата в карстовата кухина почва, сводовете от втори тип в дисперсните почви ще нарастват неп-рекъснато, премествайки разхлабената зона нагоре, до достигане на теренната

падане може да се прояви дори при поч-вена покривка с дебелина, неколкократно надвишаваща 100 m.

Ширината на зоната, засегната от такова слягане надвишава зна-чително размерите на цилиндричните пропадания и зависи от дълбочината на

е параметри на покриващите почви.

Аналитични изчисления на сводове от трети тип при наличие на

Изследванията са чисто теоретични, тъй като в проучвания карстов район не са установени нива на подземните води в покриващите окарстените скали почви. Една от задачите на направения от автора анализ е да се устано-ви зависимост между нивото на подземните води и възможността за форми-ране на устойчив свод над него. Тази зависимост би могла да се използва за

ране на такива кухини в карстови райони.

38

При практически нулева (минимална) ширина на карстовата каверна - 2l (фиг. 2.9), диаметърът, при който се формира устойчив откос под вода за-виси от височината на водния стълб – hw по следната зависимост:

d = 2d/2 =2 hw.cotga (4.1) При приравняване на формули 2.6 и 2.12 авторът извежда прост израз

за височината на водния стълб, при която над водното ниво се формира усто-йчив свод:

��� ������ ��

���!"# (4.2)

При водно ниво, чиято височина над окарстените скали надвишава hw няма възможност за образуване на устойчиви кухини в покриващите почви, а при по-ниски нива на подземните води, формирането на такива кухини е мно-го вероятно и то трябва да бъде предвидено при инженерногеоложките проуч-вания.

Глава 5. РАЗРАБОТВАНЕ И ПРИЛОЖЕНИЕ НА МЕТО-ДИКА ЗА РАЙОНИРАНЕ НА ТЕРИТОРИИТЕ ПО СТЕПЕН НА ОПАС-НОСТ ОТ ПРОЯВА НА ВНЕЗАПНИ ПРОПАДАНИЯ

5.1 Съдържание на методиката Първият етап се основава на приложение на тектонския показател за

оценка на опасността. Вторият етап е базиран на количествената оценка на съществува-

щите негативни карстови форми в района. Третият етап се базира на хидрогеоложкия показател и включва

подробно проучване на нивата и режима на подземните води, като се съставя карта с еквипотенциални линии (хидроизохипси).

Четвъртият етап включва хидрохимични изследвания на карстови-те подземни води и определяне на посоката на развитие на карстовия процес – разтваряне или отлагане.

Петият етап се основава на геотехническите показатели за оценка на опасността

Шестият етап е последен, включва определяне на степента на опа-сност от проява на внезапни пропадания и нанасянето на карта на районите с различна степен на опасност.

За оценка на степента на опасност от проява на внезапни пропадания на повърхността на терена се предлагат следните степени:

Ниска опасност – внезапната проява на пропадания и негативни кар-стови деформации на повърхността е малко вероятна. Няма установени отво-рени негативни карстови форми на терена, както и негативни деформации. Нови пропадания и негативни деформации за km2 за година (НПНД) < 0.01. Куст при открит карст > 1,25

Средна опасност - внезапната проява на отделни пропадания и нега-тивни карстови деформации на повърхността е вероятна. Възможно е наличи-

ето на потъвания, слягания и хлътвания, тивни карстови форми. Куст при открит карст 1,1 до 1,25. НПНД < 0.01

Висока опасност – много вероятна е внезапната проява на пропадния и негативни карстови форми на повърхността. Има отворени негативни карстови форми по терена. Куст при открит карст 1,1 до 1,05. НПНД > 1

Таблица 5.1 Препоръчителна дълбочина и вид на геоложките проучвания

Степен на опас-

ност

Дълбочина на геолож-ките проучвания

Вид на проучвателнте изработки

Ниска

Геоложките проучвания за строителството се провеждат в рамките на покриващите почви.

Сондажи, шурфове, динамични изследвания

Средна

Геоложките проучвания за строителството трябва да преминат цялата дълбочината на покри-ващите почви и да навлязат в скалната подложка.

Сондажи, шурфове, геофизични проучвния, динамични изслевания

Висока

Геоложките проучвания за строителството трябва да обхванат покриващи-те почви и да преминат през окарстената зона на скалната подложка.

Сондажи, шурфове, геофизични проучвния, включително гравиметрия,, динамини изследвания

Таблица 5.2 Препоръчителни изисквания за проектиране и строителство

39

ето на потъвания, слягания и хлътвания, както и на единични отворени нега-при открит карст 1,1 до 1,25. НПНД < 0.01 - 1 много вероятна е внезапната проява на пропада-

ния и негативни карстови форми на повърхността. Има отворени негативни при открит карст 1,1 до 1,05. НПНД > 1

Препоръчителна дълбочина и вид на геоложките проучвания Вид на проучвателни-

изработки Цел на проучванията

Сондажи, шурфове, динамични изследвания

Определяне на строителните свойст-ва на покриващите почви.

Сондажи, шурфове, геофизични проучва-ния, динамични изслед-

Определяне на строителните свойст-ва на покриващите почви и към определяне на дълбочината на окарстената зона, дебелината на неокарстените скали, наличието и размерите на карстови каверни.

шурфове, геофизични проучва-ния, включително гравиметрия,, динамич-ни изследвания

Определяне на строителните свойст-ва на покриващите почви и строи-телните свойства на окарстените скали. Определяне на дълбочината на окарстената зона, дебелината на неокарстените скали, наличието и размерите на карстови каверни, възможностите за тяхното запълване или укрепване.

Препоръчителни изисквания за проектиране и строителство

40

Табл. 5.3 Препоръчителни мерки за мониторинг на терените и съоръженията Степен на опасност

Мерки за мониторинг

Ниска Монтаж на репери в близост до сградите, пътищата и съоръженията и геодезическо измер-ване на положението им 1 път годишно.

Средна

Монтаж на репери в близост до сградите, пътищата и съоръженията, особено в близост до тектонски нарушения и геодезическо измерване на положението им 2 пъти годишно. Мар-киране на съществуващите проявени негативни карстови форми, определяне и периодична проверка на основните им пространствени параметри – диаметър, дълбочина.

Висока

Монтаж на репери върху сградите, пътищата и съоръженията. Маркиране и репериране на всички тектонски нарушения. Геодезическо измерване на положението на реперите 3 пъти годишно. Маркиране на съществуващите проявени негативни карстови форми, определяне и периодична проверка на основните им пространствени параметри – диаметър, дълбочина. Един път годишно проверка и маркиране на нови проявени негативни карстови форми.

5.2 Приложение на методиката за оценка на опасността от проя-ва на внезапни пропадания в Каменополско-Карлуковския карстов ра-йон

На базата на направените изследвания и разработената методика е съ-ставена карта на райониране на опасността:

Първи слой – Карта на окарстените скали в района На базата на геоложката карта са ограничени геоложките формации, в

които се развива окарстяване - Кайлъшка свита – kK2m и Мездренска свита – mzK2cp-m.

Втори слой – тектоника на района В този слой са нанесени известните разривни тектонски структури в

района, на база на данни от структурното аеро-фото геоложко картиране, проведено през 1978 г.

Трети слой – негативни карстови форми В този слой са нанесени известните негативни карстови форми в ра-

йона, според техните координати. Данните са предоставени от Българска Фе-дерация по Спелеология.

Четвърти слой – Плътност на негативните карстови форми в района

На база на направената от автора статистическа обработка на данните за местоположението на негативните карстови форми по метода на пълзящия кръг е съставена карта с полета на плътностите на негативните карстови фор-ми в района.

Пети слой – изолинии на дебелината на почвената покривка Картата е съставена на база на известната от геофизични и проучва-

телни работи дебелина на почвената покривка в отделни точки. Нанесени са и участъците с открит карст.

Шести слой – информация за основните геотехнически парамет-ри, необходими за безопасно строителство

В този слой са дадени основните геотехнически параметри, които могат да бъдат използвани при проектирането на сгради и съоръжения в карс-товия район.

41

Седми слой – карта на районирането по степен на опасност от проява на внезапни пропадания и негативни карстови деформации на повърхността.

При съставянето на този слой са взети предвид всички направени от автора изследвания, както и предложените степени на опасност. Картата за райониране и оценка на степента на опасност за строителството в Каменопол-ско-Карлуковския карстов район е разработена на "светофарен принцип". На нея са дадени данни за свойствата на покриващите почви и варовиците от скалната подложка, за дълбочината на окарстяване, както и данни за критич-ните ширини на карстовите каверни и на критичните радиуси за пропадане на почвите по кръгово-цилиндрична повърхнина. Използването на картата може да ориентира проектантите и строителите за вида и дълбочината на проучва-нията и за проектирането на защитни мероприятия.

За определяне на зоните с висока степен на опасност са използвани следните показатели:

1) Наличие на открит карст и отворени негативни карстови форми. 2) Наличие на множество пресичащи се разломи. 3) Висока плътност на негативните карстови форми. 4) За външна граница е избрана тази дебелина на покриващите поч-

ви, над която критичният радиус на пропадане по кръгово-цилиндрична по-върхнина е по-голям от максималния диаметър за образуване на устойчив свод. За различните карстови подрайони тази дебелина е определена както следва: за Карлуковски подрайон – 9.61 m, за Каменополски подрайон – 7.64 m, за Габаревски подрайон – 8.32 m. Като гранична дебелина за зоната с висо-ка опасност, в полза на сигурността е избрана дебелина, по-голяма от трите, а именно – 10 m.

За определяне на зоните със средна степен на опасност са използвани следните показатели:

1) Отсъствие на открит карст. 2) Външната граница на зоната се определя от максималната дебе-

лина на покриващите карста дисперсни почви – 40 m, при която критичният радиус за пропадане на почвите по цилиндрична повърхнина е по-голям от критичната ширина за пропадане на карстовите каверни. Тъй като в района покриващите почви не достигат тази дебелина, то за външна граница на зона-та се приема геоложката граница на окарстяващите се скали.

3) В района няма зона с ниска опасност, която би била обозначена със зелен цвят.

42

Фигура 5.1 Карта на опасността

43

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящият дисертационен труд е обобщение на извършени от автора изследвания и наблюдения на карстови терени в България през периода 2000–2010 година във връзка с оценката им като строителна основа. Основните научни и научно-приложни приноси на представения труд са следните:

1) Анализирани са механизмите на възникване на внезапни пропа-дания на терена вследствие наличието на карстови кухини, като по-специално внимание е обърнато върху устойчивостта на таваните на карстовите каверни и проявата на сводовия ефект при развитие на деформации в покриващите почви. При изследването е приложена теорията на пукнатините и са дефини-рани и изучени три типа засводяване в покриващите почви, като в известната на автора литература няма сведения за извършвани подобни анализи.

2) Определени са основните критерии за класифициране и райони-ране по опасност от проява на пропадания, приложими за територията на България. Това са:

− Тектонски критерий - връзката между разломните структури и негативните карстови форми.

− Пространствен критерий - гъстотата (плътността) на карстовите прояви на дадената територия.

− Хидрогеоложки критерий - дълбочина и колебание на нивата на подземните води

− Хидрохимични критерии - за степента на развитие на карста и посоката на взаимодействие между водата и окарстените скали.

− Инженерногеоложки критерии, включващи дебелина и свойства на почвената покривка при покрит карст; възможност за образуване на сводо-ве в покриващите карста почви; критичен радиус (диаметър) на карстовите каверни при покрит карст; критична ширина на тавана на карстовите каверни при открит карст.

3) Предложена е методика за оценка и райониране на карстовите терени по степен на опасност от проява на внезапни пропадания за целите на строителството. Съставена е карта на райониране на територията на Карлу-ковско-Каменополския карстов район, като са отделени 3 зони:

− Зона с ниска опасност – внезапната проява на пропадания и не-гативни карстови деформации на повърхността е малко вероятна;

− Зона с висока опасност - внезапната проява на отделни пропада-ния и негативни карстови деформации на повърхността е вероятна;

− Зона с висока опасност – много вероятна е внезапната проява на пропадания и негативни карстови форми на повърхността.

4) Формулирани са препоръки относно приложението на методика-та при геоложките проучвания, начините за фундиране и мониторинг при строителство в карстови терени. Съставената карта дава възможност за по-

44

нататъшно развитие и обогатяване с допълнителна геоинженерна информа-ция. Принципите на разработената методика и легендата към картата са при-ложими и за другите карстови райони в страната, както и за разработване на специфични норми за геоложки проучвания, проектиране и строителство в карстови райони.

Настоящата дисертация е опит за изучаване на разрушителните за строителството карстови явления и за тяхното предотвратяване. Независимо от малкото известни инженерни проблеми, свързани със строителството в карстови терени в нашата страна, потенциалната опасност от възникване на разрушения е значителна. Промените в климата наред с другите ефекти обус-лавят и по-големи колебания на нивата на подземните води, карстовите про-цеси се ускоряват и това може да предизвика неочаквани внезапни обрушва-ния на терена над карстови кухини.

Публикации на гл. ас. инж. геол. Ивайло Иванов по темата на

дисертационния труд 1. Ivanov, I. Relationship between geological, tectonic and hydrogeo-

logical conditions in the karst region Boga – Kozhnia, Albania. – Theoretical and Applied Karstology, Vol. 11-12. Bucharest. Editura Academie Romana, 1998, 1999, 101 – 108.

2. Иванов, И. Връзка между разломната мрежа, окарстяването и дренирането на карстовите води в Каменополско-Карлуковския район. – В: Сборник материали, Национална научна конференция по проблеми на карста и спелеологията, София, 1999, 63-70.

3. Иванов, И. Геотехнически проблеми при строителството в карс-тови терени. - Годишник на УАСГ, Том ХL 1999 – 2001, Свитък ІV.

4. Иванов, И. Критерий за устойчивост на сводове на карстови ка-верни.- В: Сборник материали SGEM 2005, 531 - 539.

45

BULGARIAR ACADEMY OF SCIERCES Geological Institute “Strashimir Dimitrov”

IVAILO YORDANOV IVANOV

Analysis and Assessment of the Hazard of Ground Collapses in Kameno pole-Karlukovo

Karst Area

Scientific Specialty “Engineering Geology”, code 01.07.12

ABSTRACT OF PHD THESIS

for gaining the educational and scientific degree “Doctor”

Scientific Supervisor: Assoc.Prof. Georgu Frangov, MEng. Geol. Referee: ………………………………………………… …………………………………………………

46

Summary Since its emergence on the Earth, mankind continuously experiences the

consequences of its indefensibility against the power of the natural phenomena and processes, especially those related to various geological forces. Nowadays, in spite of the scientific and technical progress, damages and losses from unpredictable natural phenomena grow more and more. In the last years, the number of the natural geological phenomena that have brought about huge catastrophes worldwide have increased significantly. According to many scientists, the main reasons for increasing the adverse impact of the natural processes are “…the non-regulated growth of population in the big cities and the acceleration of the technogenic impact of humans on the environment …”. A large part of those exogenic geological processes is defined with the term “geological hazard”. This is a mixed notion including all destructive processes in the lithosphere which cause damages to the society and its material assets. According to the Geological Hazards Map of Bulgaria and the associated explanatory text, worked out by a scientific team from BAS, the karst is classified as a “process of continuous effect leading to sudden phenomena”.

One of the geological hazards is the karst hazard which endangers all countries with developed karst and construction over karst grounds, and comprises the following phenomena:

- origination of sudden karst collapses and settlements of the ground; - water drain from hydraulic facilities; - flooding of karst grounds; - drying and deforestation of karst grounds. Of these hazardous-for-man processes, the most negative impact on the

human activity may be caused by the sudden collapses and settlements of the ground surface which may bring about damages and destruction of buildings and structures built on karst grounds, large material losses and human casualties.

This dissertation summarises the studies and monitoring of karst grounds in Bulgaria, carried out by the author in the period 2000 – 2010, in relation to assessment of their qualities as a construction foundation bed.

The main objectives of the studies and the dissertation work can be formulated as follows:

1. Examination of insufficient clarified mechanisms for the development of deformations in karstified rocks and covering soils and expression of the arch effect.

2. Create and use a specific methodology based on the geotechnical properties of karstified rocks and covering soils due to evaluate and zoning of karst terrain in degree of danger of collapses.

The first chapter “The status of the problem and analysis of publications” contains case studies for destructive collapses and settlements in karst grounds. A review of the literature sources on the problem has been carried out.

47

The second chapter “Classification and mechanisms of development of karst collapses” particularizes the main ways of manifestation of the negative karst phenomena, according to studies by different authors.

The third chapter “Criteria and methods for regionalization of the karst grounds in degree of hazard of manifestation of sudden collapses” includes the main methods for regionalization of karst areas on the basis of possible hazardous from constructive point of view collapses and settlements of the ground surface. The author has selected the main parameters for ground regionalization by the degree of hazard of karst deformations of the ground for the territory of Bulgaria.

The fourth chapter “Investigations and analyses on the autor on mechanisms and hazard of manifestation of sudden collapses” summarises the field and laboratory tests as well as the numerical simulation of processes carried out by the author.

The fifth chapter “Development of methodology for regionalization of territories by the degree of hazard of manifestation of sudden collapses” sets out the methodology of the author for regionalization of territory by the degree of hazard of karst deformations of the ground as well as its application in the Kameno Pole – Karlukovo karst region.

In the conclusion are presented the basic scientific, methodological and applied contributions of the author to the investigation of the problem. Recommendations have been made for the application of the methodology in the geological investigations for construction in karst grounds.

The main tasks solved with the dissertation are the following: 1. Analysis is made of the problems and hazards created by karst in the

construction as well as of mechanisms of their origination and manifestation.Special attention is paid on the mechanisms of origination of the most destructive phenomena which may happen in karst grounds – the sudden ground collapse due to existing karst cavities.

2. The main parameters for classification and regionalization of territories against the hazard of collapse have been determined.

3. On the basis of the analysis of the collected information and studies that have been carried out, a specific for Bulgaria methodology has been developed with respect to investigation and regionalization of karst grounds against the degree of hazard of sudden collapses and negative karst deformations for construction purposes.

4. Recommendations are made with respect to the methodology in the geological investigations for construction in karst grounds.

On the basis of the research described in the work as well as of the defined contributions, I think that the present dissertation is the first attempt for studying the destructive for the construction karst phenomena and their prevention.