К процессам, связанным с деятельностью подземных вод относятся механическая и химическая суффозия, карст, плывуны.

Процесс механической суффозии представляет собой разрыхление породы движущейся в ней водой и вынос частиц водным потоком, вызывающий оседание поверхности земли.

Горные породы (грунты) подверженные суффозии, водонасыщены, и возможность выноса отдельных частиц определяется их размерами, минералогическим составом, скоростью фильтрации движущейся воды и величиной гидродинамического давления. Так как процесс суффозии заключается в переносе мелких частиц породы через поры между крупными частицами, то большое значение имеет размер пор и гранулометрический состав. Наибольшее развитие эти процессы получают при условии, что основная масса породы состоит из двух резко различных по размеру фракций.

Суффозия обычно происходит в песчаных породах, которым по сравнению с глинистыми свойственна большая скорость фильтрации. Вынос частиц начинается, когда напорный градиент достигает критического значения. Критический градиент (J_кр), при которых происходят взвешивание песка, находящегося в движущейся воде, равен (по Е. А. Замарину)

              (6.1)

где – плотность песка; n – пористость песка в долях единицы.

Суффозия может наблюдаться в естественных склонах (берегах рек, оврагов и др.), при проходке туннелей, строительных котлованов, отсыпке дамб.

Суффозия в основании сооружений может привести к неравномерной осадке и даже к аварии, если они построены без учета этого явления. Известны примеры разрушения плотин и дамб, построенных на песчано-глинистых отложениях, в результате выноса в нижний бьеф песчаных частиц водами фильтрующимися через основание.

Рациональным методом предупреждения суффозии при проходке строительных котлованов считается предварительное понижение уровня подземных вод откачкой с помощью иглофильтров, закладываемых по периметру котлована. Предупреждение суффозии в основании сооружений достигается мероприятиями, уменьшающими напорный градиент фильтрации, искусственным закреплением песчаных пород и др.

Суффозия может вызвать заиление и нарушить работу закрытых дрен, уложенных в песчаные породы. Аналогичные процессы нередко наблюдаются и при откачке подземных вод из скважин. В результате суффозии в скважину вместе с водой поступает через фильтр песок водоносного слоя. Вследствие обвала вышележащих пород вокруг скважины образуется воронка, нередко достигающая в диаметре нескольких метров. Нарушается работа насосов, деформируются постройки. Основная мера предупреждения суффозии в данном случае – подбор конструкции фильтра, соответствующего гранулометрическому составу водосодержащих пород. Хорошие результаты дает устройство гравийной отсыпки.

Химической суффозией называют процесс растворения или выщелачивания водой горных пород. Химическая суффозия может протекать в течение длительного (геологического) времени. Так выщелачивание железистых кварцитов приводит к вынесу кремнезема и формированию залежей богатых минеральных руд.

Ярким примером химической суффозии является карст. Явление карста выражается в образовании крупных пустот в земной коре, в разрушении и изменении структуры и состояния горных пород, в создании особого режима циркуляции и режима подземных вод, образовании характерного рельефа местности и режима гидрографической сети. В результате карста в породах образуются пустоты и пещеры различных размеров (достигают нескольких десятков километров в длину). Для рельефа характерны карстовые воронки. Они образуются вследствие обрушения кровли карстовых полостей или размыва и выщелачивания породы, просачивающейся поверхностной водой.

Карстовые явления развиваются в областях залегания легкорастворимых пород, к которым относятся в первую очередь (в порядке их распространения) известняки, гипсы, доломиты, мергели и каменная соль. Воды, проникающие в области сложенные легкорастворимыми породами, в той или иной степени содержат в своем составе различные соли, газы и кислоты.

Химическое воздействие протекающей воды с породой может усиливаться или ослабляться в зависимости от состава воды и породы. Так, например, наличие в воде хлористого натрия резко повышает растворимость гипса, а вода, содержащая хлористый магний, практически не растворяет гипс.

Процесс карстообразования может начинаться непосредственно с поверхности в областях питания подземных вод (открытый карст) или же возникать в относительно отдаленных подземных областях распространения вод (закрытый карст). Там, где легко растворимые породы выходят непосредственно на земную поверхность, растворение породы проявляется наиболее резко.

Карст опасен в основании сооружений, так как возможны провалы сводовой части пустот, значительные перетоки по ним воды из рек, водохранилищ и каналов. Поэтому при выборе мест для размещения плотин, водохранилищ и других сооружений следует избегать закарстованных участков.

Если по тем или иным причинам этого невозможно избежать, требуются специальные меры (укрепления карстующихся пород – цементация, битумизация, глинизация, недопущение подземных вод к растворимым породам и др.).

Плывуны. Явление плывунности выражается в том, что вскрытые водонасыщенные породы приходят в движение, приобретая свойства очень вязкой жидкости. При вскрытии плывунов траншеей, котлованами, карьерами и другими выработками их стенки начинают оплывать. Чем больше грунта извлекается из выемки, тем большее его количество поступает со стороны дна и стенок. Иногда возникают катастрофические оплывания стенок, при которых перемещаются десятки и сотни тысяч тонн грунта. Истечение плывунов часто сказывается на очень больщих расстояниях от мест вскрытия выемки, вызывая просадки и провалы поверхности.

 При бурении скважин вскрытие плывуна приводит к образованию песчаных пробок. Скважина забивается доверху песком и проходка ее становится невозможной

 Плывун – это состояние рыхлой горной породы, насыщенной водой. В подавляющем большинстве случаев плывунные свойства присущи очень мелким пескам, включающим некоторое количество пылеватых и глинистых фракций и содержащим органические коллоиды.

Крупнозернистые грунты (средне и крупнозернистые пески, гравий, иногда даже галька) в плывунное состояние могут перейти только при наличии значительной разности уровней подземных вод в горной выработке или котловане и вне их, когда проявляется взвешивающее действие гидродинамического давления при наличии критического градиента.

Различают истинные плывуны – пески содержащие гидрофильные коллоиды, и ложные – пески и более крупнозернистые породы, не содержащие коллоидных частиц. Истинные плывуны переходят в плывунное состояние при незначительных напорных градиентах и приобретают устойчивые плывунные свойства. Ложные плывуны переходят в плывунное состояние при больших напорных градиентах, легко отдают воду, после чего не проявляют плывунных свойств.

К мероприятиям по борьбе с плывунами относится осушение пород. В плывуны с водопроницаемостью менее 0,2 м/сут устанавливают иглофильтры, с помощью которых нагнетают воздух, отжимающий из плывуна воду. Для осушения истинных плывунов применяется также электродренаж.

Другим способом борьбы с плывунами является изоляция плывунов шпунтовыми ограждениями.

Довольно часто для борьбы с плывунами применяют способ, основанный на использовании сжатого воздуха – проходка плывунов кесоном.

 Существующие электрохимические способы закрепления плывуна пока не нашли широкого применения.

Весьма эффективным способом борьбы с плывунами является замораживание, хотя оно и требует большого количества электроэнергии. Этот способ осуществляют путем нагнетания в скважину охлажденного концентрированного хлористого кальция. Плывун, замерзая, становится твердым и устойчивым. В ряде случаев это почти единственный способ, с помощью которого с плывунами можно бороться в любых геологических условиях.