Capcanele geologice, posibile surse de hazarduri pentru proiectarea geotehnica

In articolul de fata sunt prezentate unele probleme ascunse ale structurilor geologice, nedepistate prin investigatiile de teren si laborator efectuate in etapele premergatoare proiectarii geotehnice si deschiderii excavatiilor.

Autorul atrage atentia asupra necesitatii anticiparii unor solutii de rezerva, pe care proiectantul trebuie sa le aiba pregatite pentru a putea evita eventuale situatii de risc banuite, dar care nu sunt depistate decat in timpul executiei, daca ele exista cu adevarat.

Pentru exemplificare se prezinta cateva studii de caz.

In zona restransa a Geologiei ingineresti, ca ramura a Geologiei destinata constructiilor, se poate intampla ca, in timpul investigatiilor de teren si, mai grav, dupa des­chiderea excavatiilor pentru fundatii, proiectantii si constructorii sa se confrunte cu situatii inedite, de neconcordanta intre prevederile proiectelor si realitatile terenului. In astfel de situatii, acestia sunt obligati ca, in regim de urgenta, sa gaseas­ca solutii tehnice de adaptare a proiectelor la noile conditii de teren.

Am considerat ca ar fi utila o atentionare a geologilor, proiec­tantilor, constructorilor si investitorilor asupra capcanelor geologice, fenomene care se intalnesc mai rar, motiv pentru care nu intotdeauna se bucura de atentia pe care o merita.

Cateva fenomene geologice tip capcana, localizate pe teritoriul Romaniei, se prezinta in continuare ca exemple ce ar putea servi drept invataminte pentru cei care inca nu le cunosc indeajuns.

EXEMPLE DE CAPCANE GEOLOGICE

Avalanse de grohotis

Grohotisul reprezinta depozite alcatuite din fragmente si blocuri de roci tari, de forma colturoasa, care se acumuleaza pe pantele sau la poalele versantilor abrupti. Conditiile cele mai favorabile pen­tru formarea depozitelor de grohotis se intalnesc in zonele montane, etajele subalpin (1.800 – 2.000 m) si alpin (>2.000 m), acolo unde padurile sunt foarte rare sau lipsesc.

Acumularile de grohotis pot atinge volume de sute, mii sau zeci de mii de m3, fixandu-se defini­tiv sau temporar pe pantele versantilor (fig. 1).

Dupa perioade lungi de stagnare in pozitie nemiscata, grohotisurile pot fi acoperite si mascate de o patura relativ subtire de material fin, de tip coluvial, peste care se dezvolta un covor vegetal.

Grohotisurile sunt roci permeabile ce pot gazdui in masa lor cantitati mari de apa, acumulata dupa perioade de ploi abundente sau to­pirea zapezilor. In aceste conditii, si cu atat mai mult daca sunt supuse unor solicitari seismice sau de alta natura, grohotisurile isi pot pierde stabilitatea fiind antrenate intr-o miscare accelerata, sub forma de avalansa care, uneori, poate ajunge pana la baza versantului si distruge totul in cale.

Studii de caz

• Colonia muncitoreasca de la barajul Gura Apelor, Retezat

La jumatatea lunii iulie 1999 o avalansa de grohotis de pe versantul drept al Raului Retezat a afectat grav colonia muncitoreasca de la barajul Gura Apelor. Avalansa s-a declansat in urma unei perioade de ploi torentiale. Masa de grohotis pusa in miscare, pe un culoar ingust, a ras in totalitate padurea de foioase si conifere ce acoperea jumatatea inferioara a versantului.

Intr-un timp foarte scurt dezastrul a atins apogeul: locuintele muncitorilor, cladirile sociale, birourile s.a. au fost distruse si amestecate cu blocuri de roca, trunchiuri si crengi de copaci, noroi s.a. Din pacate s-au inregistrat si 14 morti, numerosi raniti prinsi sub daramaturi si importante pagube materiale.

Concluziile anchetei efectuate dupa dezastru au fost ca predictia producerii avalansei era extrem de dificila si incerta, initierea acesteia producandu-se deasupra si in afara amplasamentului coloniei muncitoresti, la o distanta de peste un kilometru. In aceste circumstante dezastrul respectiv poate fi incadrat in categoria riscurilor asumate.

• Avalansa de grohotis din defileul Oltului

O importanta avalansa de grohotis s-a produs in anul 2005 in defileul Oltului, atunci cand o cantitate foar­te mare de material a blocat drumul european E 81 si calea ferata Ramnicu Valcea – Sibiu (fig. 2).

Comentarii

Se poate pune intrebarea daca situatii asemanatoare celor prezentate pot fi anticipate si daca exista solutii de stopare sau diminuare a dezastrelor pe care astfel de feno­mene le pot genera.

Un raspuns posibil ar fi urmatorul:

Normele geologice ingineresti nu limiteaza ariile de extindere a observatiilor si investigatiilor geologice pentru amplasamentele constructiilor. Decizia ramane la latitudinea celor care asigura studiile pentru proiectarea geotehnica.

Investigatiile geologice ingineresti, cu caracter informativ, trebuie extin­se pana la o limita de risc in interiorul careia exista conditii de producere a unor hazarduri cu probabilitate semnificativa. In interiorul limitei de risc pentru avalansele de grohotis cer­ce­tarile pe baza documentara si ob­ser­vatiile vizuale pe teren ar trebui sa fie obli­gatorii.

Investigatiile documentare pot fi efectuate sub forma observatiilor pe harti geologice – ingineresti, geomorfologice, silvice etc. existente si, cu foarte mare eficienta, exploatarea fotogrametrica a cuplurilor de aerofotograme care permit nu numai identificarea acumularilor de grohotis ci si localizarea si estimarea dimensiunilor acestora. Adaugand acestei etape de identificare si localizarea acumularilor de grohotis pe harti si o recunoastere geologica pe teren se poate aprecia ca exista suficiente informatii pentru a putea schita o harta de hazard natural privind probabilitatea de producere a unor avalanse si dimensiunea riscului pe care acestea le pot genera.

In functie de marimea hazardului de avalanse, se pot adopta solutii eficiente de proiectare pentru evi­tarea, pe cat posibil, a riscurilor ge­nerate de hazardurile respective.

Baraje naturale formate in urma alunecarii versantilor

De regula, astfel de fenomene se produc pe vaile inguste, marginite de versanti inalti, cu pante ac­centuate, acoperiti de depozite deluviale cu grosimi mari. Stabilitatea versantilor poate fi diminuata semnificativ si de prezenta fenomenelor structurale si microtectonice (supra­fete de stratificatie, clivaj, fisuratie, falii si zone cu brecii de falie, pre­zenta apei in fisuri etc.).

Deseori, o contributie importanta la stricarea echilibrului versantilor apartine factorului antropic, materia­lizat, de exemplu, prin amenajarea unui lac de acumulare care subi­nun­da baza versantului, prin executarea unor excavatii adanci, derocari prin explozii sau defrisari s.a.

Studiu de caz

• Lacul de acumulare Siriu. Alunecarea Groapa Vantului

La sfarsitul lunii aprilie 2006, in versantul drept al lacului de acumulare Siriu, in zona denumita Groapa Vantului, s-a produs o mare alune­care de teren, cu un volum estimat la 10-11 milioane m3, din care cca. 350 mii m3 au intrat in lac, formand un baraj natural cu inaltimea de cca. 30 metri deasupra talvegului vaii.

Creasta barajului de alunecare s-a aflat cu cca. 30 metri sub cota NNR, separand lacul de acumulare in doua biefuri. Cand nivelul apei in lac scade sub creasta barajului de alunecare, legatura dintre cele doua biefuri se face printr-un canal de eroziune sapat in barajul de alune­care, acesta jucand rolul de canal deversor (fig. 3).

Anticiparea, cu o probabilitate satisfacatoare, a reactivarii aluneca­rii Groapa Vantului a putut fi fa­cuta pe baza cunoasterii istoriei comportarii versantului pe o perioada de timp de cca. un secol si in urma unei analize si interpretarii corecte a informatiilor achizitionate.

Unele informatii locale menti­oneaza fap­tul ca, in urma unui cutremur care s-a produs la ince­putul secolului trecut in zona Groapa Vantului, o alune­care de teren importanta a afectat mai multe gospodarii.

Pe hartile topografice cadastrale, scara 1:10.000, editate in anul 1972 pe baza ridicarilor aero-fotograme­trice din 1970, alunecarea din zona Groapa Vantului este bine conturata, fapt ce confirma existenta acesteia la data respectiva. Alunecarea este marcata pe toate hartile geologice – ingineresti intocmite de ISPIF pe perioada de studii (1975-1989).

Premonitia profesorului Ion Bancila, facuta inca de la inceputul anilor 1970 si publicata in anul 1989, cu privire la alunecarea Groapa Vantului s-a confirmat intocmai la sfarsitul lunii aprilie 2006.

„Relieful relativ accentuat, natura geologica complexa si amploarea proceselor fizico-geolo­gice actuale ce se constata in toata regiunea lasa sa se intrevada o tendinta de destabilizare mai accentuata. In acest sens, atrage atentia zona denumita „Groapa Vantului“ situata pe ver­santul drept, imediat in amonte de confluenta cu Paraul Siriu. Este posibil ca sub influenta apei si a variatiilor de nivel, materialul deluvial sa alunece lent in lac, putand chiar sa obstrueze valea“.

Faptul ca prognoza starii de echilibru a versantului a fost facuta corect si la timp a permis luarea unor masuri decisive de monito­rizare a alunecarii si prevenirii producerii unor manifestari violente in ceea ce priveste deplasarile maselor de pamant instabile.

Principalele masuri de diminuare a hazardului la alunecare au fost:

• Renuntarea la varianta de drum de ocol al lacului de acumulare pe versantul drept;
• Restrictionarea lucrarilor de exploatare a padurii, prin defrisare, in zona alunecarii;
• Corelarea Regulamentului de exploatare a lacului de acumulare cu evolutia alunecarii;
• Monitorizarea mai atenta a evolutiei alunecarii, prin observatii directe si masuratori topo-geo­de­zice si imbunatatirea mijloacelor de trans­mitere a informatiilor si avertizare privind evolutia fenomenului.

Masurile adoptate s-au dovedit eficiente. Desi in procesul de alu­ne­care a fost antrenat un volum foarte mare de roca (10-11 milioane m3), viteza de deplasare a masei de roca s-a mentinut in limite acceptabile, astfel incat pe toata durata de evolutie, pana la stabilizare, nu s-au inregistrat incidente.

Trovantii

Cu mici exceptii, aceasta denumire aproape ca lipseste din dictionare. Cel care a introdus notiunea de trovant in literatura geologica a fost marele savant roman Gheorghe Munteanu Murgoci (1842-1925), in lucrarea Tertiarul din Oltenia (1908).

Cunoscuti si sub denumirea de balatruci, trovantii sunt corpuri geologice formate in orizonturi nisipoase printr-un proces chimic continuu intre apele subterane si elementele minerale componente ale nisipurilor. La inceput, in faza incipienta de precipitare, trovantii au forma unor mici concretiuni silicioase, feruginoase sau calcaroase, care inregistreaza o expansiune volumica continua, avand initial dimensiuni de ordinul mili­metrilor si al centimetrilor, putand sa ajunga la mai multi metri. Foarte interesante sunt si formele pe care le au aceste creatii ale naturii: columnare, sferice, ovoidale, prismatice, cilindrice s.a. (fig. 4, 5).

Caracteristic trovantilor este faptul ca in orizonturile nisipoase au o distributie haotica, de multe ori sub forma de cuiburi, in care pot fi intalnite elemente cu dimensiuni si forme foarte variate.

In Romania, trovantii se gasesc dispersati in nisipurile miopliocene, indeosebi in cele care apartin Sarmatianului superior si Meotianului. Frecvent se intalnesc cuiburi de trovanti pe Dealul Felea­cului – Cluj, la Costesti – Ramnicu Valcea, Minculesti si Bela – Pucioasa, Colinele Tutovei, pe Valea Timisului – Banat s.a.

Literatura geologica este saraca in informatii privind cercetarile dedicate acestui fenomen geologic, pentru simplul motiv ca trovantii au pre­zentat doar interes stiintific si tu­ristic. Pentru activitatea de proiectare geotehnica, trovantii au devenit interesanti atunci cand au fost depistati in terenurile de fundare unde urmau sa se execute excavatii adanci, pereti mulati, sprijiniri, ecra­ne din piloti, palplanse s.a.

Daca in fazele de studii geoteh­nice nu se obtin suficiente informatii cu privire la existenta, dimensiunile, frecventa si distributia trovantilor in terenul de fundare, pot aparea surprize neplacute daca acestea apar dupa deschiderea excavatiilor.

Consecintele pot fi:

• Intreruperea lucrarilor pe anumite perioade de timp;
• Necesitatea inlocuirii utilajelor si tehnologiilor de lucru cu altele adaptate situatiilor nou create;
• Modificarea solutiilor de exca­vare sau, daca este cazul, modificarea intregului proiect de fun­dare si adaptarea acestuia la conditiile geo­tehnice reale. Evident, toate modificarile proiectului initial se cuantifica prin cresterea costurilor si prelungirea duratei de executie.

Cum poate fi evitat, sau macar dimi­nuat, acest hazard?

Cateva masuri preventive pot fi utile:

• O informare geologica  generala  asupra  zonei  extinse  in  care  se  afla amplasamentul constructiei cu privire la posibilitatea existentei unor capcane geologice, intre care se pot numara si trovantii;
• Daca exista informatii in acest sens, investigatiile geotehnice trebuie sa fie precedate si, in conti­nuare, acompaniate de investigatii geofi­zice cu georadare, tomografii electrice s.a., care permit punerea in evidenta si localizarea unor corpuri straine, masive, cum sunt trovantii, intr-un mediu nisipos care le gazduieste;
• In functie de informatiile preli­minare, programul de investigatii geotehnice poate fi astfel conce­put incat sa permita diminuarea la maximum posibil a riscului de a intam­pina dificultati la realizarea exca­vatiilor.

Alte forme de existenta a capcanelor geologice 

Emanatii de gaze naturale explozive

• Cazul 1

Deflagratie in subsolul unui bloc de locuinte dintr-un cartier muncitoresc, zona exploatarii miniere Comanesti.

In urma anchetei efectuate dupa producerea accidentului s-a ajuns la urmatoarele concluzii:

• Sub blocurile construite in zona, la adancime relativ mica, se afla strate de lignit, cu grosimi mode­rate, in alternanta cu nisipuri permeabile;
• Zacamintele de carbuni pot fi insotite de multe ori de gaze inflama­bile, cunoscute sub numele
  de gazul grizu, acel gaz care, in activitatea miniera, se face raspunzator de multe accidente cauzate de exploziile subterane;
• In cazul de fata s-a considerat ca o cantitate de gaz grizu s-a infiltrat prin nisipuri si pe unele
  frac­turi, pana sub fundatia blocului.

Din cauza unei etansari precare a fundatiei, acesta a patruns relativ usor in incaperile de la subsol. A fost suficienta o scanteie de la intrerupatorul de lumina sau alta sursa pentru a produce deflagratia.

De retinut:

Terenurile de fundare in care sunt incorporate strate de carbune, cu exceptia turbei, nu ridica de regula probleme deosebite din punct de vedere geotehnic.

Faptul, bine cunoscut, ca zaca­mintele de carbuni sunt de multe ori purtatoare de gaze explozive trebuie  retinut.   Programele   de   investigatii   geotehnice si solutiile de fundare   a
constructiilor vor tine seama si de aceste posibile hazarduri.

• Cazul 2

Explozia de gaze in galeria de aductiune Ciresu (Basca Mare) – hidrocentrala Nehoiasu din cadrul amenajarii hidroenergetice Siriu.

Galeria a fost executata integral in formatiunile geologice ale flisului paleogen in care cele care apartin Oligocenului, cunoscute ca principala roca mama pentru zacamintele de petrol din Romania, ocupa un loc foarte important.

In lungul proces de evolutie a geosinclinalului carpatic, fluidele (ape de zacamant, petrol, gaze) cantonate in roca mama, sub actiunea stresurilor tectonice, au fost puternic comprimate si obligate sa migreze catre zonele marginale, cu deficit de presiune, localizandu-se in asa numitele structuri capcana, formand importante zacaminte de petrol si gaze, unele dintre acestea fiind in exploatare si in prezent. O mica parte din petrolul si gazele formate in roca mama au ramas captive in aceasta formatiune, sub forma de mici acumulari reziduale retinute in capcane de tip bolta anticlinala sau capcana de falie.

Astfel de acumulari reziduale de petrol si gaze, de mici dimensiuni si cu o distributie haotica, fara importanta economica, nu au fost investigate si localizate. Insa, din punct de vedere geologic – ingineresc, astfel de structuri pot genera incidente importante daca nu sunt cercetate si localizate in mod corespunzator.

In timpul executarii, in galeria hidroenergetica au fost semnalate mai multe zone cu emanatii de gaze intre care unele cu debite semnificative.

Desi existau informatii cu privire la existenta unor „pungi“ de gaz metan, acestea nu au constituit un impediment pentru a continua executarea galeriei. Din nefericire, pe un tronson de galerie a fost interceptata o acumulare mai mare de gaz metan, care s-a aprins si a produs o deflagratie soldata cu un mort, mai multi raniti si pagube materiale semnificative.

Se pune intrebarea daca acest hazard putea sa fie identificat, loca­lizat si evitat.

Raspunsul corect este ca, mai mult teoretic, era posibil de formulat o solutie garantata. Geologii sunt bine informati in legatura cu probabilitatea existentei unor astfel de acumulari reziduale de petrol si gaze, sub forma de pungi distribuite haotic in masivul de roca si de dificultatile de localizare a acestora.

In acest context, singurele masuri care pot fi luate sunt monitorizarea semnalarii aparitiei gazelor in lucra­rile miniere ce se executa, functi­onarea eficienta a sistemelor de captare si evacuare a gazelor si aplicarea masurilor de prevenire a riscurilor de aprindere a acestora.

Emanatii de ape si gaze corozive

Constructiile, in general, dar in mod deosebit marile constructii care patrund adanc in masivele de roci, vin inevitabil in contact cu apele subterane.

Dupa origine, se poate vorbi de urmatoarele tipuri de ape subterane:

• Juvenile (endogene), care isi au originea in zonele foarte adanci ale scoartei terestre, au legatura cu activitatea vulcanica si ajung pentru prima oara la suprafata terestra.
• Meteorice sau vadoase (exogene), sunt cele care urmeaza circuitul: precipitatii, infiltratii in scoarta, reveniri la suprafata sub forma de izvoare, intrarea in circuitul hidrologic, evaporatie si circuitul se reia.

In contact cu rocile si fluidele care ocupa porii si fisurile din masivele de roci, apele subterane isi pot schimba compozitia chimica initiala prin mineralizare, devenind carbogazoase, sulfuroase, sarate etc.

In constructii, caracterul agresiv al apelor subterane impune luarea unor masuri foarte restrictive pentru a proteja betoanele, armaturile din otel, echipamentele electrice si mecanice si chiar rocile din masiv care prezinta o anumita vulnerabilitate la alterarea chimica.

Atentia asupra prezentei apelor potential agresive chimic poate fi atrasa de denumirile toponimice ale zonelor de interes: Sarata, Slatina, Slatioara, Slanic, Saratel, Muratoa­rea, Pucioasa, Puturoasa s.a., precum si de prezenta izvoarelor de ape mineralizate.

In structurile geologice foarte complicate, cum este, de exemplu, flisul, separarea si localizarea apelor subterane dupa continutul chimic reprezinta o problema foarte dificila dar nu imposibil de rezolvat. Totul depinde de costuri.

Studiu de caz: Barajul Siriu

Prezenta apelor mineralizate in zona barajului Siriu a fost semnalata cu foarte mult timp in urma, sub forma de izvoare minerale si termale, acestea fiind folosite pe plan local in scopuri balneare si terapeutice. Emanatii de ape minerale si termale au fost inregistrate si pe galeria hidroenergetica dintre barajul Siriu si centrala hidroelectrica Neho­iasu, cu o lungime de cca. 7 km.

In versantul stang al amplasamentului barajului, a carui inaltime maxima este de 122,00 m, a fost executata o retea densa de galerii de drenaj, in scopul de a scoate versantul de sub influenta subpresiunilor cauzate de infiltratiile de apa pe sub baraj si prin ocolirea acestuia prin versant.

Pentru a creste eficacitatea sistemului de drenaj, din galerii s-au executat foraje cu adancimi de ordinul a 30-50 m, prin care sa poata fi reduse subpresiunile de sub baraj.

Efectul forajelor de drenaj a fost unul neasteptat. Acestea au func­tionat in regim usor artezian expul­zand ape sulfuroase din care s-a separat hidrogenul sulfurat, hidrogen sulfurat care s-a raspandit pe galerii si a intrat in contact cu echipamentele electrice si hidromecanice pe care le-a corodat, uneori, pana la scoa­terea din functiune. A fost nevoie de masuri urgente pentru captarea si evacuarea acestora in afara am­prizei barajului.

Din cercetarile efectuate a rezultat ca forajele de drenaj au deschis un acvifer cu ape sulfuroase, cantonat in formatiuni oligocene. Galeriile de drenaj de sub baraj au fost executate in formatiuni eocene, repre­zentate prin Panza de Tarcau, alcatuita din alternante de gresii calcaroase si marne.

Intr-o asezare stratigrafica normala, peste depozitele eocene ar fi trebuit sa urmeze Oligocenul, considerat ca principala formatiune geologica, in care isi au originea apele sulfuroase. Particularitatile structurale ale zonei, sub forma unei succesiuni de cute-falii, arata ca, din cauza unei cutari excesive, a fost posibila o inversiune stratigrafica in urma careia formatiunile Oligocene, mai noi, au ajuns sub Gresia de Tarcau, de varsta mai veche (eocena).

Importanta acestui nou model geologic-structural a fost subestimata sau pur si simplu nu a fost inteleasa, pentru ca altfel nu se poate justifica masura de a drena apele acide, sulfuroase, din acviferul cantonat in Oligocen si a le des­carca, liber, in galerii.

Ca solutie de rezolvare a acestei situatii s-a adoptat captarea apelor sulfuroase din toate forajele care dreneaza acviferul cantonat in Oligocen si evacuarea acestora printr-o conducta colector in afara amprizei barajului. Solutia s-a dove­dit eficienta, procesul de coroziune a echipamentelor metalice si alterarea chimica a rocilor s-a diminuat semnificativ, insa costurile de remediere a pagubelor create de acest fenomen au fost semnificative.

CONCLUZII

• Din cauza spatiului editorial limi­tat, articolul prezentat pune in discutie un numar foarte mic de studii de caz privind „capcanele geolo­gice“, fata de cate exista in realitate si ar prezenta interes major pentru Proiectarea geotehnica.
• De multe ori, pe nedrept, privim natura ca pe un adversar ce ne creeaza nenumarate probleme, dar nu observam generozitatea ei atunci cand ne ofera, gratis, la scari pe care noi nu le putem reproduce, o multitudine de informatii pe care, din pacate, prea putin le valorificam.
• Nu de putine ori suntem indusi in eroare de acceptarea necondi­tionata ca o modelare matematica, de exemplu, poate garanta adevarul ce sta la baza oricarei cauze care produce efecte. In domeniul Geologiei, o astfel de abordare poate fi uneori nu numai falsa ci si periculoasa. In acest context putem afirma ca practica geologica traditionala, bazata pe observatii directe si investigatii de teren, inca mai este si va fi necesara acum si in viitor.

BIBLIOGRAFIE

1. Bancila L., Geologia amenajarilor hidrotehnice. Editura Teh­nica, Bucuresti, 1989;
2. Marchidanu E., Stabilitatea versantilor in zona acumularii Siriu. Revista HDROTEHNICA, vol. 54, nr. 8-9, 2006;
3. Munteanu Murgoci G., Tertiarul din Oltenia, cu privire la sare, petrol si ape minerale. Analele Institutului Geologic Roman, I, Bucuresti, 1908.

Autori:
prof. dr. ing. Eugeniu Marchidanu – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Hidrotehnica, Departamentul de Geotehnica si Fundatii 

01