Опасные геологические явления: оползни

1. Теоретическая часть

Оползни возникают тогда, когда природными процессами или людьми нарушается устойчивость склона. Силы связности грунтов или горных пород оказываются в какой-то момент меньше, чем сила тяжести, вся масса приходит в движение, и может произойти катастрофа.

Земляные массы могут оползать по склонам с едва заметной скоростью (такие смещения называют медленными, или криповыми). В других случаях скорость смещения продуктов выветривания оказывается более высокой (например, метры в сутки), иногда большие объёмы горных пород обрушиваются со скоростью, превышающей скорость экспресса. Всё это склоновые смещения- оползни. Они различаются не только скоростью смещения, но и масштабами явления.

Чаще всего употребляется название “оползень”. Один из наиболее авторитетных в мире специалистов по оползням академик Квидо Заруба определяет оползень так: “Это резкое смещение горных пород, при котором перемещающиеся массы отделены от монолитного основания видимой поверхностью скольжения”. Далее он указывает, что под оползнем подразумевается как сам процесс, так и формы рельефа, возникающие в результате этого процесса.

Академик Заруба совместно с профессором Менцлем написал книгу “Оползни и борьба с ними”. Сразу во введении авторы обращают внимание на многообразие опасных последствий оползней. Оползни могут разрушать жилища и подвергать опасности целые населённые пункты. Они угрожают сельскохозяйственным угодьям, губят их и затрудняют обработку. Они создают опасность при эксплуатации карьеров и добыче полезных ископаемых. Оползни повреждают коммуникации, туннели, трубопроводы, телефонные и электрические сети; угрожают водохозяйственным сооружениям, главным образом плотинам. Кроме того, они могут перегородить долину, образовывать временные озёра и способствовать наводнениям, а также порождать губительные волны в озёрах и заливах. Подводные оползни рвут телеграфные кабели.

Этого перечисления достаточно для того, чтобы понять, чем угрожают оползни. По большей части эти процессы не являются катастрофическими, такими, при которых гибнут сотни людей, тем не менее, ущерб, наносимый ими народному хозяйству, может быть значителен.

Схема строения оползня

Оползание происходит в рыхлых слабосцементированных породах вследствие того, что крутой и высокий склон по мере подрезания его рекой, водохранилищем, морем теряет свою устойчивость, и значительные горные массы крупными блоками начинают смещаться вниз по склону. Оползневое движение всегда связано с наличием грунтовых вод. Их обилие – необходимое условие оползания. Однако надо себе ясно представлять, что не грунтовые воды служат причиной оползня. Часто мы видим, что крутой склон долин подвержен оползням, а рядом выше или ниже по течению при том же геологическом строении, при таком же водообилии водоносных горизонтов и одинаковой высоте уровня подземных вод никаких оползней нет просто потому, что склон чуть-чуть более отлог. Оползни редко отмечаются на склонах крутизной менее 10-12 градусов. И при уклоне 15 градусов оползни возникаю только при благоприятных геологических и гидрогеологических условиях. Но достаточная влажность пород, обеспечивающая их пластичность, всегда необходима. Можно сказать, что при соблюдении ряда необходимых условий оползни есть функция крутизны и высоты склона. Но нельзя сказать, что оползень – есть функция наличия грунтовых вод. Для возникновения оползней наиболее благоприятны такие геологические условия, когда в основании оползневого склона залегают водоупорные пласты, а выше лежат водоносные породы. Но даже если склон и сложен только водоносными породами, а водоупорного пласта нет, всё равно будет происходить разгрузка подземных вод, уровень которых будет плавно снижаться от междуречий в сторону долины или берега моря (озера). При достаточной крутизне и высоте склонов оползни неизбежно возникнут.

Оползни могут быть вызваны действием разных факторов. Земная поверхность состоит главным образом из склонов. Некоторые из них устойчивы, другие в силу различных условий становятся неустойчивыми. Это происходит тогда, когда изменяется угол наклона откоса склона или если склон оказывается отягощён рыхлым материалом. Тем самым сила тяжести оказывается больше силы связности грунта. Склон становится нестабильным и при сотрясениях. Поэтому каждое землетрясение в условиях горного рельефа сопровождается смещениями по склону. Образованию оползней особенно благоприятствует такое залегание пород, при котором падение кровли водоупорных пород совпадает с направлением уклона поверхности. Водоупорный горизонт при этом служит поверхностью скольжения, по которой более или менее значительный блок породы соскальзывает вниз по склону. Неустойчивости склона способствует и повышение обводнённости грунтов, рыхлых отложений или горных пород. Вода заполняет поры и нарушает сцепление между частицами грунта. Межпластовые воды могут действовать подобно смазке и облегчать скольжение. Связность горных пород может быть нарушена при замерзании, и в процессах выветривания. Неустойчивость склонов может быть связана и с изменением вида насаждений либо уничтожением растительного покрова.

Дело обстоит серьёзно и тогда, когда скальные горные породы на склоне бывают перекрыты рыхлым материалом или почвой. Рыхлые отложения легко отделяются от подстилающих пород, особенно если плоскость скольжения “смазана” водой. Неблагоприятны (с точки зрения возможности возникновения оползней) и те случаи, когда горные породы представлены пластами крепких известняков или песчаников с подстилающими более мягкими глинистыми сланцами. В результате выветривания образуется плоскость раздела, и пласты скользят по склону. В этом случае всё зависит, главным образом, от ориентировки пластов. Когда направление их падения и наклон параллельны склону, это всегда опасно. Сложно точно определить значение угла откоса, более которого склон не устойчив, а менее которого устойчив. Иногда такой критический угол определяют в 25 градусов. Более крутые склоны, по-видимому, уже не устойчивы. На возникновение оползней наибольшее влияние имеют дождевые осадки и сотрясения. При сильных землетрясениях оползни возникают всегда. Что же касается дождевых осадков, то это зависит от многих условий. Например, в Альпах в качестве критической границы принято количество осадков выше 2500 мм. Выпадение такого количества осадков в короткий промежуток времени представляет острую опасность.

По определению И.В.Попова, оползнем называется смещение блоков породы, объёмом в десятки кубических метров и более на крутых склонах в результате смачивания поверхностей отрыва подземными водами. Оползают именно блоки породы, сохраняющие при этом (в пределах блоков) свою первоначальную структуру. Оползающие горные породы обычно рыхлые или слабосцементированные. В оползающем блоке могут быть отдельные прослои или линзы из прочных скальных пород. При оползании порода частично дробится, превращаясь в брекчиевидную бесструктурную массу. Скопления оползневых масс у подножия склонов называют деляпсием.

Размеры оползней сильно варьируют. Встречаются громадные оползни, захватывающие сотни тысяч кубометров породы, и малые оползни в несколько десятков кубометров.

Оползни приурочены к крутым склонам оврагов, балок, речных долин. Они встречаются в горах в области развития слабосцементированных пород. Оползни широко распространены на платформенных равнинах, где они приурочены к берегам рек и морей. Но везде на равнинах оползневые склоны занимают небольшие площади из-за того, что вообще крутые склоны (более 15 градусов) узко локализованы и процент территории, занятой ими к общим площадям равнины не составляет и 1%. В горах же преобладают прочные скальные породы, что также резко ограничивает распространение оползней. На равнинах, так же как и в горах, в местах выхода скальных пород даже и по крутым склонам долин оползней не отмечается.

При оползании образуется определённый комплекс форм рельефа: оползневой цирк, ограниченный стенкой срыва оползня (оползневым уступом), оползневой блок, характеризующийся в большинстве случаев запрокинутостью верхней площади (оползневая терраса) в сторону оползневого склона с крутым уступом, обращённым в сторону реки, моря или озера по направлению движения оползня. Поверхность отрыва оползня имеет сферическую форму, стремящуюся приблизиться к окружности. В некоторых случаях в результате деформации поверхностных слоёв породы движущимся оползневым блоком возникает напорный оползневой вал. Такие оползни называют детрузивными в отличие от деляпсивных, свободно соскальзывающих к урезу реки или моря.

Среди оползневых явлений можно определить следующие виды:

1. Оползание блоков породы (блоковые или структурные).

2. Оползание чехла рыхлых отложений (единовременное и быстрое) по поверхности скальной или мёрзлой – оползни-сплывы.

3. Оползание мелких блоков – оплывание, охватывающее весь склон или его значительную часть.

4. Отседание склонов, смещение блоков скальных или полускальных пород.

В соответствии с этим, можно рассматривать оползневые склоны, склоны оползания чехла рыхлых отложений (склоны оползней-сплывов), оплывные склоны и склоны отседания.

Структурные оползни разделяются по разным признакам. А.П.Павлов ещё в прошлом столетии разделял оползни на детрузивные и деляпсивные. Первые оползни “толкают” перед своим нижним концом пластичные горные породы, деформируя их. Вторые свободно соскальзывают к урезу реки, моря, озера.

По отношению к структуре горных пород, слагающих склоны, оползни делятся на следующие виды:

1.Асеквентные, развитые в однородных породах;

2.Консеквентные, происходящие по плоскостям напластования пород или же по плоскостям разломов;

3.Инсеквентные, для которых характерно пересечение плоскостями оползания поверхностей напластования или плоскостей разломов.

Оползни могут происходить на одном высотном ярусе – одноярусные или на нескольких – многоярусные. Многоярусные оползни наблюдаются в горах и реже на равнинах, главным образом там, где высота склонов достигает 100 – 200 метров.

По времени, в течение которого происходит процесс оползания, выделяются оползни одновременные, периодические и постоянные. Можно различать оползни современные, недавние (происходившие десятки лет назад), давние – сползавшие в течение исторического времени, т. е. менее чем 3-5тыс. лет назад, и древние – удалённые от нас геологически длительными отрезками времени представляет острую опасность. По скорости смещения все склоновые процессы можно подразделить на три категории: медленные, смещения со средней скоростью и быстрые.

Медленные смещения не являются катастрофическими. Их называют волочениями, ползучими смещениями рыхлых отложений, а также скольжением и соскальзыванием. Это действительно перемещение-сползание, так как скорость его не превышает нескольких десятков сантиметров в год. Специалисты по инженерной геологии хорошо знают, как распознать такое смещение (например, по искривлённым стволам деревьев, растущих на склоне, изгибанию пластов и поверхности, так называемому смятию пластов, и с помощью чувствительных приборов). Солефлюкция и гелифлюкция – виды таких медленных смещений. Раньше под солефлюкцией понимали смещения в грунтах и рыхлых осадках, насыщенных водой. Позднее этот термин был распространён и на ледниковые условия, где грунты смещаются в связи чередования замерзания и оттаивания. В настоящее время для образования смещений, вызванных переменным замерзанием и оттаиванием, рекомендуется использовать термин “гелифлюкция”. Итак, солефлюкция – это движение массы грунта, обладающего вязко-текучей консистенцией, т.е. способностью растекаться толстым слоем. Опасность этих медленных смещений заключается в том, что они могут постепенно перейти в смещение быстрое, а затем и катастрофическое. Многие крупные оползни начинались оползанием рыхлого материала или медленным скольжением блоков горных пород.

Под смещениями средней скорости понимают те смещения, что происходят со скоростью метров в час или метров в сутки. К ним относятся большинство типичных оползней.

Оползневой участок состоит из зоны отрыва, скольжения и фронтальной, или зоны аккумуляции. В зоне отрыва бывают различимы основная трещина отрыва и плоскость скольжения, по которой тело оползня отделилось от подстилающей породы. Оползни приводят к значительному материальному ущербу, однако правильно организованная эвакуация предотвращает человеческие жертвы. Опасно при этом возникновение наводнения, потому что оползень может завалить долины, где обычно течёт река.

Только быстрые оползни могут стать (скорость составляет несколько десятков километров) причиной настоящих катастроф с сотнями человеческих жертв. В этих случаях к смещающей силе добавляется сила инерции, а раздробленные породы по поверхности смещения дают “дополнительную смазку” и уменьшают силы сцепления. Известны разные типы таких катастроф, в научной литературе для их обозначения используются различные термины. Понятие “обвал скальных пород” ясно само по себе. Оползни-потоки возникают тогда, когда твёрдый материал смешивается с водой и течёт с большой скоростью. Оползни-потоки могут быть грязевыми (к ним относятся и вулканические грязевые потоки), каменными и переходными. К быстрым смещениям относятся и лавины, как снежные, так и снего-каменные.

Различаются оползни и по степени раздробленности оползшего блока.

Оползни-сплывы возникают в условиях низкогорного или плоскогорного рельефа, там, где коренные породы скального типа, и поэтому сами по себе не способны к образованию блоковых оползней. Сползать здесь может только покрывающий чехол суглинисто-щебнисто-глыбовых рыхлых отложений, покрывающий скальные породы. Он сплывает по поверхности коренных мёрзлых пород (часто эти поверхности совпадают). Крутизна склонов, на которых происходят оползни-сплывы, колеблется от 15 до 30 градусов. И коренные, и мёрзлые породы служат водоупором, на поверхности которого рыхлая порода, более или менее насыщенная водой и утратившая связность, в определённый момент переходит нижний предел текучести. Связь между вышележащими породами и коренным (мёрзлым) основанием ослабевает.

В результате подрезания рекой блок, подстилаемый коренными породами, над которыми грунт насыщен водой, отрывается и по наклонной поверхности сплывает в русло. Лишившись упора снизу, теряет устойчивость лежащий выше по склону блок. Он сплывает вслед за предыдущим. Последовательно то же самое происходит с остальными блоками, расположенными выше по склону. Таким образом, на склоне появляется полоса, лишённая рыхлого материала. Полоса вытянута по склону в направлении максимального уклона. У подошвы склона, чаще всего прямо в русле, нагромождаются массы сплывшего материала с беспорядочной бугристой поверхностью. Будучи раздробленными, они быстро размываются водным потоком.

По отношению к соседним участкам склона полоса, с которой произошёл сплыв, углублена в общую поверхность склона на 2-5 м, в соответствии с мощностью обломочного чехла. В плане оползни-сплывы имеют линейно вытянутую форму. Обычно ширина полосы 15-20 м, длина же достигает 50-150 м. Случаются оползни-сплывы больших размеров.

Оползни-сплывы повторяются то в одной, то в другой части склона. Но участки, соседние с тем, который был захвачен оползнем-сплывом, вовлекаются в движение не сразу, а через несколько лет или даже десятков лет. Это происходит потому, что полосы склона, прилегающие к полосе, где произошло сплывание, оказываются несколько лучше дренированными, поскольку возникшее понижение служит естественной дреной. Следующий по времени оползень происходит на расстоянии 30-50 м от предыдущего. Экспонированная на поверхность коренная порода выветривается быстрее, чем прикрытая щебнисто-валунным суглинком, и но ней вновь формируется чехол рыхлых отложений. Можно предполагать, что в течение геологи чески длительного времени в долинах, где наблюдаются оползни-сплывы, вся поверхность склонов в разное время захватывалась сплыванием. Разумеется, участки склонов, не охваченные в данное время сплыванием, также не являются стабильными, но на них темп процесса гораздо более спокойный – смещение чехла обломков происходит непрерывно, но медленно, в темпе, свойственном процессу дефлюкции. Однако, когда перейдён предел связности грунта, происходит изменение качества явления и медленное массовое движение переходит в оползень-сплыв. Наличие оползней-сплывов указывает, что вообще чехол обломков при определённых условиях оказывается весьма неустойчив на склоне. При соответствующей крутизне, длине склона, мощности и влажности грунта вековой процесс может смениться быстротечным сплыванием.

Оплывины представляют собой мелкие блоковые оползни, при которых часто сохраняется даже сплошность дернины. Они развиваются на поверхности достаточно плотных водоупорных пород, причём оплыванием захватывается толща породы всего лишь на 0,3 - 1,5 м. В отличие от оползней-сплывов, оплывание происходит постепенно. Причиной его служит избыточное увлажнение верхнего слоя грунта, иногда только почвенного слоя.

Морфологически оплывинные склоны отличаются от других типов склонов микроступенчатостью. На остепнённых склонах с обильным выпасом скота оплывание возникает и без особо сильного увлажнения при слабопластичном состоянии грунта, а иногда и просто при сыпучих грунтах, скрепленных с поверхности дерниной. Перемещаясь по террасовидным площадкам шириной в несколько десятков сантиметров, животные в пределах площадок временно увеличивают нагрузку на грунт, что способствует его смещению. В результате получается микрогофрика склона, носящая название “коровьих дорожек”. До сих пор иногда говорят о том, что микроступенчатость – функция структуры породы. При этом указывают, что она наблюдается, где как будто нет выпаса скота. В таких случаях для решения задачи требуется тщательное наблюдение за морфологией дорожек (их слияние – разветвление, наклон), а также за строением чехла склоновых отложений. Канава, заложенная поперёк ступенек, может дать бесспорный ответ.

Явление отседания склонов очень близко оползанию, но совершается оно не в рыхлых, а в магматических, метаморфических или достаточно диагенетизированных прочных осадочных породах. Состоит оно в отделении блока породы объемом в десятки, сотни и тысячи километров, постепенном изменении положения отделившегося блока и последующем его обрушении. Собственно обрушение – это уже процесс обвально-осыпной. Явления отседания склонов распространены гораздо шире. Чем это обычно представляется в геоморфологической литературе. Отседание приурочено к глубоко расчленённым плато, сложенным скальными и полускальными породами, и к горным районам. В высоких горах отседание быстро переходит в обваливание и поэтому рассматривается как начало обвального процесса.

В типичном случае вдоль бровок крутых склонов первоначально появляется узкая трещина, которая постепенно расширяется и постепенно заполняется мелкозёмом, осыпающимся в неё со стенок. Последний, обычно, насыщен водой и пропускает часть воды к основанию блока, увлажняя подстилающую породу. Постепенно кровля пласта, подстилающего вертикально трещиноватые прочные породы, приобретает некоторый уклон в сторону долины, поэтому блок получает наклон, а трещины, разделяющие блоки в верхней части, всё более раздвигаются. В рельефе они выражены в виде рвов глубиной 3-10 м со скальными или задернованными стенками. Затем блок, получая ещё больший наклон, опрокидывается и при этом дробится. Дальнейшее передвижение обломков, возникших в результате его разрушения, осуществляется в ходе других склоновых процессов.

Для того чтобы процесс отседания мог протекать, необходимы следующие условия:

1. Глубина расчленения – наличие высоких и крутых склонов. При глубине долин или высоте береговых уступов 150-300 м и более давление на горные породы в основании ничем не компенсируется со стороны долины (или водоёма). И если порода в основании хотя бы слабо пластична, она понемногу расплющивается давлением, а её поверхность приобретает некоторый наклон в сторону долины (водоёма).

2. Вторым необходимым условием является наличие в основании склона пород, способных к существенной деформации под давлением. Большей частью это весьма слабопластичные алевролиты, аргиллиты, слабые песчаники с глинисто-кремнистым цементом. Реже – закарстованные породы (известняки, доломиты, гипсы, каменная соль). Наличие последних может привести к отседанию склонов благодаря их пластичности и без растворения.

3. Третье условие – это преобладание среди горных пород, слагающих территорию, прочных, но в то же время хрупких и вертикально-трещиноватых песчаников, доломитов, известняков, диабазов, долеритов, базальтов.

Участие подземных вод в самом ходе процесса не обязательно. Но при лучшем увлажнении основания склона создаются условия для более активного хода процесса.

Давление материала, попавшего в разошедшиеся трещины, разделяющие блоки породы, также играют существенную роль в развитии процесса. Если трещина на глубину 100м заполнена щебнистым суглинком, то этот заполнитель действует наподобие клина. В верхних горизонтах щебнистых суглинков, заполняющих трещины, давление на стенки особенно возрастает при промерзании грунта и увеличении вследствие этого его объёма. Давление на стенки может иметь не только эффект расклинивания трещин, но и эффект “сталкивания” отделившихся блоков породы по поверхности подстилающих слоёв. Последнее обстоятельство может резко усилить ход процесса отседания.

Морфологическое выражение явления отседания склонов не везде одинаково. Наиболее характерными являются рвы отседания. Глубина рвов (10-40 м) превышает их ширину (считая от бровки до бровки).

Оползневые процессы могут оказать влияние на устойчивость инженерных сооружений. Но угроза с их стороны может быть преувеличена или преуменьшена. Соответственно перестраховка и неучёт опасности, какую представляют эти процессы, может дорого обойтись. Морфологически слабо выраженные стёртые формы в отличие от свежих и резких явно указывают на малую активность процесса в настоящее время. Однако, если размеры форм, а, следовательно, и масштабы явлений значительны, то стёртость форм никак не говорит о слабой угрозе. И наоборот, резкие формы при малом масштабе явлений служат благоприятным фактором.

Особенно большое значение имеет анализ возможного инженерного воздействия на естественный ход процесса. Поэтому каждое условие и причину, определяющие ход процессов оползания, оплывания и отседания, необходимо анализировать в отдельности, имея в то же время в виду, что влияние каждого из них осуществляется в сложной комбинации.

В результате движения оползня возникают специфические формы рельефа. В пришовной части оползневой террасы (а их может быть несколько) может сохраняться пришовная ложбина, создающая наиболее благоприятные условия для постоянного смачивания поверхности смещения. В плане оползни часто имеют циркообразную форму. В верховьях оврагов, где почти всегда имеет место разгрузка подземных вод, постоянно наблюдаются циркообразные оползни – ендовины.

Для выявления оползневых склонов первостепенное значение имеет изучение морфологии склонов. Появление беспорядочной бугристости в основании склона, наличие трещин, террасовидных уступов, особенно с обратным уклоном, свежих стенок отрыва и других форм, явно чуждых обычному склону долины или берега озера, указывает на развитие оползневых явлений. Иногда на оползень указывают и бугристые нагромождения на дне долины. Бывают случаи, когда огромные, слабоподвижные оползневые блоки склонов глубоких и крутосклонных долин, смещаясь, мало-помалу сжимают узкую долину реки, едва не перегораживая её. Движение их восстанавливается лишь по мере среза нагромождений у основания оползня.

 

Наиболее действенной защитой от оползней является их предупреждение. Идеальным было бы вообще избегать склоновых участков, однако в наших условиях это не возможно. Поэтому специалистами по инженерной геологии, механике грунтов и строительной технике были разработаны комплексные предупредительные мероприятия. Когда оползание уже началось, вести превентивные работы поздно. Чтобы избежать сползания, нельзя допускать:

1) перегрузку верхней части оползня;

2) подрезание основания (рекой, водохранилищем, инженерными мероприятиями);

3) дополнительное увлажнение всего косогора.

Известно, что вода является главной причиной оползания. Поэтому первым этапом охранительных работ должно явиться собирание и отведение поверхностных вод. На оползнеопасном участке рекомендуется вычерпать воду из колодцев. Затем следует осушение с помощью подземного дренажа. Большое значение имеет и искусственное преобразование рельефа. В зоне отрыва уменьшают нагрузку на склон, ослабляя тем самым действие силы тяжести и повышая силы сцепления горных пород. Существует целый комплекс рекомендуемых технических операций, как то: анкерное крепление склонов, разрушение плоскостей скольжения, инъекция укрепляющих растворов, фиксация склонов с помощью свай и строительство опорных стенок. Важны и степень готовности, и быстрота действий: на более п оздних этапах борьба с оползневыми процессами потребует значительно больших усилий.

2. Порядок выполнения лабораторной работы:

Работа выполняется на листах формата А4 в печатном либо в рукописном виде. На усмотрение преподавателя двум-трем студентам выдается индивидуальное задание по заданной тематике. Студенты выполняют задание в форме реферата и выступают перед аудиторией на следующем занятии. Оставшиеся студенты записывают основные положения по заданной тематике в форме тезисов и отвечают на вопросы для контроля знаний.

3. Вопросы для контроля:

1. Условия образования оползней.

2. Что собой представляет оползень.

3. Классификация оползней.

4. Чем характеризуются медленные смещения?

5. Характеристика смещения средней скорости.

6. Характеристика быстрых смещений.

7. Характеристика оползней-сплывов.

8. Характеристика оплывинных склонов.

9. Характеристика склонов отседания.

10. Выявление оползневых склонов.

11. Защита от оползней.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11