Геологическая деятельность ледников

 

В настоящее время льды занимают 10 % поверхности суши, 98,5 % ледниковой поверхности приходится на полярные области и лишь 1,5 % — на высокие горы. Различают три типа ледников: горные, плоскогорий и материковые.

Горные ледники образуются высоко в горах и располагаются ли­бо на вершинах, либо в ущельях, впадинах, различных углублени­ях. Такие ледники имеются на Кавказе, Урале и т. д.

Лед образуется за счет перекристаллизации снега, формируя сначала зернистую массу — фирн, а затем собственно лед. Он об­ладает способностью к пластическому течению, образуя потоки в форме языков. Движение ледников вниз по склонам ограничива­ется высотой, где солнечного тепла оказывается достаточно для полного таяния льда. Ледники плоскогорий образуются в горах с плоскими вершина­ми. Лед залегает нераздельной сплошной массой. От него по уще­льям спускаются ледники в виде языков. Такого типа ледник, в ча­стности, располагается сейчас на Скандинавском полуострове.

Материковые ледники распространены в Гренландии, Шпиц­бергене, Антарктиде и других местах, где сейчас протекает современная эпоха оледенений. Льды залегают сплошным покровом, мощностью в тысячи метров. Огромные глыбы льда (айсберги) ветер и течения уносят в открытый океан, где они со временем тают.

Геологическая деятельность льда велика и обусловлена глав­ным образом его движением, несмотря на то, что скорость тече­ния льда примерно в 10 000 раз медленнее, чем воды в реках при тех же условиях. При своем движении лед ис­тирает и вспахивает поверхность земли, создавая котловины, рытвины, борозды. Эта разрушительная работа совершается под действием тяжести льда. В лед вмерзают обломки пород. При движении ледника эти обломки, в свою очередь, оказывают разрушающее действие на поверхность земли. В результате обработки льдом поверхности пород образуются своеобразные округленные формы скал, получившие наименова­ние «бараньих лбов», а также «курчавых скал», «штрихованных валунов» и т. д. Двигаясь по ущельям или другой какой-либо наклонной плоскости, ледники захватывают продукты разрушения путем вмораживания их в лед. Наличие трещин благоприятствует про­никновению обломков внутрь и в нижнюю часть ледников. Та­ким способом обломочный материал передвигается вместе с лед­ником При таянии льда весь обломочный материал отлагается. Об­разуются значительные по мощности ледниковые отложения.

Обломочный материал, который находится в движении или уже отложился, носит название «морены». Среди двигающегося моренного материала различают морены поверхностные (боковые и срединные), внутренние и донные. Отложившийся материал получил название береговых и конечных морен. Береговые морены представляют собой валы обломочного ма­териала, расположенные вдоль склонов ледниковых долин. Ко­нечные морены образуются на месте окончания ледников, где происходит их полное таяние

Ледниковые отложения иногда образуют друмлины — холмы эллипсоидальной формы в несколько десятков метров высоты, состоящие из отложений донной морены. В их состав входят, главным образом, моренные глины с валунами.

Моренные отложения представляют собой грубый неоднород­ный, отсортированный, неслоистый обломочный материал. Чаще всего это валунные опесчаненные красно-бурые суглинки и глины или серые разнозернистые глинистые пески с валунами. Морены залегают покровами и характеризуются мощностью в десятки мет­ров. Конечные моренные гряды имеют высоту до 30—40 м. Среди их обломков можно видеть представителей всех пород, по которым прошел ледник.

При таянии ледника образуются постоянные потоки талых вод, которые размывают донную и конечную морены. Вода подхваты­вает материал размываемых морен, выносит за пределы ледника и откладывает в определенной последовательности. Вблизи границ ледника остаются крупные обломки: дальше осаждаются пески и еще дальше — глинистый материал. Такие водноледни­ковые отложения получили название флювиогляциалъных.

При наступлении или отступлении ледника последовательно смещаются зоны накопления материала по его крупности. Так, ес­ли на глины накладываются пески и более крупные обломки, то значит ледник наступал, продвигался вперед, область оледенения расширялась. Наложение на крупные обломки и пески глинистых осадков свидетельствует о периоде отступления ледника. Флювиогляциальные отложения отличаются сравнительной от- сортированностью и слоистостью. Они обычно представлены толщами песка, гравия, галечника, а также глинами и покровными суглинками, которые имеют широкое распространение как в пре­делах ледниковых отложений, так и далеко за границами оледене­ния. Мощность покровных суглинков достигает многих метров

Флювиогляциальные отложения создают характерные формы рельефа: озы, камы и зандровые поля. Накопление обломочного материала (песка, гравия) в виде высоких узких валов получило название озы. Длина озов колеблется от сотни метров до десят­ков километров, высота — 5—10 м. Камы представляют собой беспорядочно разбросанные холмы, состоящие из слоистых от­сортированных песков, супесей с примесью гравия и прослоев глины. Широкие пологоволнистые равнины, расположенные за краем конечных морен, называют зандровыми полями: в их со­став входят слоистые пески, гравий и галька

В озерах, располагающихся перед ледниками, накапливаются мелкозернистые осадки и так называемые ленточные глины, состоящие из чередования темных глинистых прослоек и более светлых прослоек из опесчаненных глин. Формирование этих от­ложений связано с сезонными изменениями поступающего терригенного материала, сносимого летом

Ледниковые образования четвертичного периода обозначаются общим индексом gQ, а флювиогляциальные отложения fgQ

Строительные свойства ледниковых отложений. Моренные и флювиогляциальные отложения являются надежным основанием для сооружений различного типа. Валунные суглинки и глины, ис­пытавшие на себе давление мощных толщ льда, находятся в плот­ном состоянии и в ряде случаев даже переуплотнены. На валунных суглин­ках и глинах здания и сооружения испытывают малую осадку. Эти грунты слабоводопроницаемы и часто служат водоупором для под­земных вод. Такими высокими прочностными свойствами облада­ют практически все разновидности отложений морен. Валунники с песком и валунные пески с гравием и галькой водопроницаемы и водоносны. Это в известной мере отрицательно влияет на строите­льные объекты, но, с другой стороны, подземную воду успешно используют для питьевых и технических целей

Отрицательным качеством всех глинистых ледниковых отложе­ний является наличие случайных вкраплений отдельных, иногда очень крупных валунов. Это мо­жет привести к неравномерной осадке и деформациям зданий. При инженерно-геологических изысканиях нередки случаи, когда эти валуны ошибочно принимают за коренные скальные породы. Ошибок можно избежать проведением более детальных разведоч­ных работ с использованием методов электроразведки.

Ледниковые отложения успешно используют как строительный материал (камень, пески, глины); пески озов, камов и зандровых полей пригодны для возведения насыпей и для изготовления бето­на. Валуны — хороший строительный камень. Имеются примеры использования валунов для изготовления монолитных пьедесталов памятников

 

Осыпи и обвалы на склонах

Осыпи. На крутых склонах, особенно в горных районах, где развиты скальные породы, активно действует процесс физиче­ского выветривания. Породы растрескиваются и обломки скаты­ваются вниз по склонам до места, где склон выполаживается. Этот процесс называется осыпанием. Так у подножья склонов накапливаются продукты осыпания — глыбы, щебень, более мел­кие обломки — и образуются валы — осыпи Мощ­ность осыпей различна и колеблется от нескольких до десятков метров.

В состав осыпей входят обломки тех горных пород, которые слагают склоны. Вид породы зачастую определяет крупность об­ломков осыпи. Так, массивные кристаллические породы дают крупнообломочные (глыбовые) осыпи. Менее прочные породы образуют среднеобломочные (щебеночные) и мелкообломочные (дресвяные) осыпи. Сланцы и осадочные породы (известняки, мергели, песчаники и др.) порождают разнообломочные накопле­ния, состоящие из обломков различной формы (плитчатой, плас­тинчатой и т. д.)

Характерной особенностью осыпей является их подвижность. По признаку подвижности их подразделяют на действующие, на­ходящиеся в стадии интенсивного движения, затухающие и непо­движные

Действующие осыпи лишены всякой растительности. Масса обломков нарастает и находится в рыхлом, весьма неустойчивом положении и приходит в движение за счет увеличения общего веса, сильного увлажнения, подрезки нижней части осыпи доро­гами, от землетрясений и даже от более мелких сотрясений, воз­никающих при работе механизмов или движении транспорта. Су­ществует мнение, что некоторые осыпи начинают двигаться от сильного звука (например, крика).

Движение осыпей. Наибольшие скорости движения осыпей от­мечены в период снеготаяния и дождей. Наблюдения показывают, что осыпи в послойном разрезе передвигаются с различной скоро­стью. Скорость верхних слоев может достигать более 1 м/год, ниж­них слоев и в целом всего массива осыпи — несколько десятков сантиметров в год. На скорость движения влияют также количест­во поступающего материала, угол естественного откоса материала, из которого состоит осыпь, и угол поверхности осыпи

По величине К осыпи разделяют на четыре типа

Осыпи первого и второго типов относят к действующим. Они представлены свежей, неуплотнившейся массой обломков. «Жи­вые» осыпи характерны для склонов круче 65°.

Для затухающих осыпей свойственно развитие растительности (кустарники, слабый дерновый слой). Неподвижные осыпи пол­ностью задернованы, покрыты кустарником и даже лесом

Иногда осыпи превращаются в осовы — особую разновидность оползней. Это происходит при насыщении осыпей водой. При смачивании масса обломков уменьшает угол естественного отко­са, К увеличивается и вся масса осыпи «осовывается» по смочен­ной поверхности склона Осыпи значительно осложняют строительство. Обломочный материал засыпает сооружения, полезные площади. Для решения вопроса о защите сооружений от осыпей очень важно знать ско­рость их движения. Обычно ее удается определить длительными наблюдениями. С небольшими щебеночными осыпями борьба ведется довольно простыми способами, которые сводятся к убор­ке той части обломочного материала, который расположен выше сооружения по склону. Этот способ достаточно трудоемок и при­меняется при большой подвижности осыпей и особой значимо­сти сооружения.

Из инженерных сооружений применяют улавливающие и под­порные стенки, устраивают козырьки или сетки над дорогами, но эти мероприятия спасают лишь от отдельных падающих камней

В особо опасных местах, где развиты мощные медленно со­скальзывающие осыпи, устраивают галереи и тоннели для дорог. При борьбе с осовами, кроме всех прочих мероприя­тий, применяют методы осушения, особенно в тех случаях, когда источник замачивания располагается в верхней части склона. На особо опасных участках организуют службу наблюдения.

Обвалы. Обрушение более или менее крупных масс горных по­род с опрокидыванием и дроблением получило название обвала

Обвалы возникают на крутых склонах (более 45—50°) и обры­вах естественных форм и рельефа (склоны речных долин, уще­лья, побережья морей и т. д.), а также в строительных котлованах, траншеях, карьерах. При крупных обвалах, как это бывает в горах, масса обломков устремляется вниз по склону, дробясь на более мелкие и увлекая за собой попутный рыхлый материал. Образуется облако пыли, масса обломков падает в долины, раз­рушая здания, дороги, запруживая реки

Наиболее часто обвалы бывают связаны с трещиноватостью пород, подмывом или подрезкой склонов, избыточным увлажне­нием пород, перегрузками обрывов, землетрясениями. Обвалы могут возникать вследствие глубокого растрескивания пород по­сле неправильно выполненных взрывных работ, неудачного зало­жения выработок относительно напластования и направления трещиноватости

В большинстве случаев обвалы проявляются в периоды дож­дей, таяния снега, весенних оттепелей. Атмосферные и талые во­ды ослабляют связи в выветрелых породах, утяжеляют массы по­род, оказывают давление на стенки трещин

По объему и характеру обрушения обвалы весьма различны. Это могут быть отдельные глыбы или масса пород в десятки ку­бических метров. Такие маленькие обвалы более свойственны строительным выемкам. В природных условиях нередко наблюда­ются катастрофические обвалы, когда обрушиваются миллионы кубических метров пород.

Одной из разновидностей обвалов являются вывалы — обру­шения отдельных глыб и камней из скальных пород в откосах выемок, полувыемок и отвесных склонов. Принципиально выва­лы отличаются от обвалов тем, что обломки падают свободно, не скользя по склону.

Предвестниками обвала являются расширение существующих и появление новых трещин, расположенных параллельно обрыву, глухой шум, треск, иногда другие явления

Борьба с обвалами, особенно крупными, весьма затруднитель­на. Все мероприятия по борьбе с ними сводятся к предупрежде­нию их возникновения и осуществлению защитных мероприятий. На участках, где возможны крупные обвалы, строительство про­водить опасно. Для предупреждения малых обвалов одним из наиболее распространенных способов, как в случаях с лавинами, является искусственное обрушение склонов при помощи взрывов небольшой мощности или путем забивки клиньев в трещины об­валоопасной породы. Это позволяет откалывать отдельные куски. Способ «клинования» более предпочтителен, так как он безопас­нее взрывного, неверно рассчитанный по силе взрыв может сам вызвать крупный обвал. Устраивают подпорные и улавливающие стенки, рвы, траншеи, отводят поверхностные воды

На опасных участках дорог нередко организуют службу на­блюдения, работают бригады по зачистке склонов, уборке кам­ней.

Успешно можно предупреждать обвалы в строительных выем­ках. Для этого производят облицовку откосов, ставят подпорные и временные шпунтовые стенки, подпорные щиты. Не следует на длительное время котлованы оставлять открытыми, особенно в период дождей; необходимо отводить поверхностные воды.

 

Оползни

Оползни — это скользящее смещение горных пород на скло­нах под действием гравитации и при участии поверхностных или подземных вод.

Оползни — явление частое и свойственное склонам долин, овра­гов, балок, берегам морей, искусственным выемкам. Они разрушают здания и сооружения на самих склонах и ниже их.

Деформации в результате оползания подвергаются насыпи шоссейных и железных дорог, колодцы, дренажные галереи, тру­бы, водосливные лотки.

Внешний облик оползневых склонов имеет ряд признаков, по которым всегда можно установить, что склоны находятся в неус­тойчивом состоянии. Там, где происходит отрыв массы пород, образуется серия концентрических трещин, ориентированных вдоль склонов. Сползание пород приводит к бугристости скло­нов, особенно в их нижней части. За счет давления сползающих пород у подошвы склонов формируются валы выдавливания. Между валами и буграми при определенных условиях скаплива­ются поверхностные и подземные воды. Это вызывает заболоченность склонов. При активном сползании на склонах хорошо вид­ны смещенные земляные массы и террасовидные уступы. Очень часто внешним признаком оползней является так называемый «пьяный лес» и разорванные, искривленные, саблевидные стволы деревьев. За счет сползания пород стволы деревьев теряют свою вертикальность в различных направлениях, а иногда даже рас­щепляются. Аналогичным образом теряют вертикальность столбы телефонной связи и электролиний, заборы, стены. На оползне­вых склонах можно наблюдать разрушенные дома или здания со значительными трещинами. Характерной чертой этих трещин яв­ляется наибольшее раскрытие в нижней части здания по склону

Для возникновения и развития оползней необходимы некото­рые определенные условия. Среди них наибольшее значение для склонов имеют: высота, крутизна и форма, геологическое строе­ние, свойства пород, гидрогеологические условия

При всех равных условиях крутые склоны более подвержены оползням, чем пологие. Так, установлено, что склоны с крутиз­ной менее 15° оползней не образуют. Оползни свойственны скло­нам выпуклой и нависающей конфигурации

Большое влияние на развитие оползневых процессов оказыва­ет геологическое строение и литологический состав пород скло­на. Наиболее часто оползни проявляются при залегании слоев с падением в сторону склона. Типичными оползневыми породами следует считать различные глинистые образования, для которых характерно свойство «ползучести». Такой процесс, например, происходит на склонах лессовых толщ. Подавляющее большин­ство оползней приурочено к выходам подземных вод

Основными причинами оползней следует считать три группы процессов:

· Процессы, изменяющие внешнюю форму и высоту склона: колебания базиса эрозии рек, оврагов; разрушающая работа волн и текучих вод; подрезка склона искусственными выемками

· Процессы, ведущие к изменению структур и ухудшению физико-механических свойств, слагающих склон пород за счет процессов выветривания, увлажнения подземными, а также дож­девыми, талыми и хозяйственными водами, за счет выщелачива­ния водорастворимых солей и выноса частиц текучей водой с об­разованием в породе пустот (суффозия)

· Процессы, создающие дополнительное давление на поро­ды, слагающие склон: гидродинамическое давление при фильтра­ции воды в сторону склона; гидростатическое давление воды в трещинах и порах породы; искусственные статические и динами­ческие нагрузки на склон; сейсмические явления

Из перечисленного видно, сколь многообразны условия и причины возникновения оползней. При этом следует помнить, что каждый случай образования оползня может быть связан од­новременно с несколькими причинами

В оползне выделяют следующие элементы

· оползневое тело

· поверхность скольжения, форма которой может быть цилин­дрической, волнистой, плоской

· бровка срыва, там, где произошел отрыв оползневого тела от коренного массива пород

· террасовидные уступы или оползневые террасы (не следует смешивать с речными террасами)

· вал выпучивания, разбитый трещинами

· подошва оползня — место выхода на поверхность плоскости скольжения, оно может располагаться выше и ниже подошвы склона или быть на его уровне

В рельефе оползневые тела могут иметь вполне определенные и четко выраженные формы. В однородных породах типа лессо­видных суглинков наиболее распространены оползневые цирки. Если в склоне развито несколько оползневых цирков, то между ними располагаются межоползневые гребни. На склонах речных долин оползни нередко образуют террасовидные уступы (оползневые террасы), наклоненные в сторону, обратную паде­нию склона.

Оползневые тела могут иметь сложное строение. На одном и том же участке может быть одна или несколько поверхностей скольжения. В этом случае различают оползни одно-, двух- и многоярусные.

 

Скорость движения оползневого тела различна. Принципиаль­но все оползни можно разделить на соскальзывающие и постепен­но сползающие. При соскальзывании тело оползня перемещается мгновенно, в один прием. Движение медленных оползней определяют по наблюдениям за реперами, установленными в теле оползня и за его пределами, а также по маякам, которые укрепляют по обеим сторонам трещин

Классификация оползней предусматривает выделение собст­венно оползней, а также их разновидностей в виде сплывов и оползней-обвалов:

Собственно оползни происходят только путем скольжения зем­ляных масс по склону. Плоскость скольжения обычно располага­ется на значительных глубинах (многие метры)

Сплывы — смещение земляных масс на большой площади (сотни квадратных метров) вследствие водонасыщения верхних слоев. Глубина залегания плоскости скольжения до 1 м. Свойст­венны весеннему периоду года

Оползни-обвалы представляют собой смещение земляных масс одновременно по типу скольжения и обвала, типичны для кру­тых склонов

Борьба с оползнями представляет сложную задачу. Это связа­но с многообразием причин, порождающих этот процесс

Противооползневые мероприятия назначают с учетом активно­сти оползня. Различают оползни действующие и недействующие

Недействующие оползни движений не проявляют. Сползание произошло достаточно давно и поверхность оползневого тела и следы смещения сглажены геологической деятельностью атмо­сферных вод. При подработке такие склоны мотуг приходить в движение.

Действующие оползни требуют применения противооползне­вых мероприятий. Выбор того или иного мероприятия или комп­лекса мероприятий зависит от причины, которая порождает дан­ный оползень.

Противооползневые мероприятия. Борьба с оползнями во мно­гих случаях оказывается чрезвычайно сложной, дорогостоящей и зачастую неэффективной.

Ряд специалистов отмечает, что для успешной реализации противооползневых мероприятий необходима разработка вопро­сов специальной стратегии и тактики. К первым относят:

· установление природы возможных форм нарушения устойчи­вости склона и разработку рациональных расчетных схем;

· количественную оценку степени устойчивости склона;

· выявление наиболее эффективных путей повышения степени устойчивости склона до необходимых пределов;

· проектирование откосов с наперед заданной степенью устой­чивости.

Вторые заключаются в выборе в пределах наличных возмож­ностей наиболее эффективных для конкретного случая противо­оползневых мероприятий и сооружений, не забывая при этом о преимуществах «превентивных» профилактических методов.

Противооползневые мероприятия подразделяют на два вида:

· активные, способные воздействовать на основную причину оползня путем полного пресечения или некоторого ослабления ее действия, в частности, снятие перенапряжения грунтовой толщи за счет разгрузки любого вида

· пассивные, направленные на повышение значимости факто­ров сопротивления, влияющих положительным образом на степень устойчивости, например, пригрузка, закрепление любыми спосо­бамии

Мероприятия по обеспечению охранной обстановки касаются в основном ограничений деятельности человека в районе склона

· по зеленому поясу (запрещение рубки леса, корчевания и разработки участков под огороды, уничтожение кустарников, тра­вяного покрова)

· по строительству (установление границы предельной застрой­ки, типа и веса сооружений, снос существующих сооружений, за­медление темпов строительства)

· по земляным работам (запрещение любых разработок в пас­сивной зоне)

· в области водного хозяйства (запрещение спуска поверхност­ных вод и поливов, содержание в порядке водоотводящих и осу­шительных устройств, водопроводно-канализационных систем, за­делка ям, трещин, установление уровней и темпов сработки вод, омывающих откос)

· по динамическим воздействиям (запрещение применения взрывных работ, забивки свай, работы транспортных средств), то же относится и к вибрационным воздействиям

Берегозащитные мероприятия и сооружения на водотоках и во­доемах у подножья склона включают отвод и выравнивание ру­сел, устройство защитных покрытий, возведение лотков, быстро­токов, перепадов, стен — набережных

Водоотводные осушительные и дренажные мероприятия и устройства делят на

· работы на поверхности (планировка местности, заделка тре­щин, устройство покрытий, дамб, обвалования, нагорных и осу­шительных каналов, лотков, каптаж источников)

· обустройство дренажей (продольные и поперечные прорези и галереи, дренажные шахты, поглощающие скважины и колодцы)

· выполнение изоляционных мероприятий (устройство различных инъекционных завес, глинизация, замораживание грунтов)

Землеустроительные мероприятия направлены на

· разгрузочные работы в активной зоне (полный съем оползне­вых масс, срезка активной части оползня, очистка скальных отко­сов, террасирование и уполаживание склона, общая планировка склона) и пригрузки в пассивной зоне (отсыпка и отвал грунта)

· армирование поверхности геосинтетическими материалами (сетками, ячеистыми каркасами и т. п.)

· устройство каменных ловушек

Механическое крепление склона (откоса) связано с устройством одиночных прошпиливающих элементов в виде свай различного типа, проходящих сквозь оползень в коренные породы или ря­дов в виде шпунтовых стенок, инъекционных и мерзлотных за­вес и др

Подпорные сооружения предусматривается возводить в виде шпунтовых стенок (металлических, железобетонных, деревянных), подпорных стен (каменных, бетонных, железобетонных), стен из свай-оболочек большого диаметра, а также в виде упорных валов (поясов) из грунта, каменной наброски, массивов-гигантов

Покрытия предназначены для закрепления поверхности скло­на от воздействия ливневых и речных вод. Их выполняют из песчаных, гравелистых, галечных грунтов, каменной наброски, каменного мощения, шлакоглинобетона, асфальта и асфальтобе­тона, бетона и железобетона, геосинтетических пленок из арми­рованного высокопрочного полиэтилена.

Использование растительности направлено на закрепление и осушение склона. Здесь предусматривается сплошное травосея­ние, посадка влаголюбивого кустарника, облесение склона (вяз, дуб, клен, липа, лиственница)

Искусственное уплотнение и закрепление грунтов на склоне предусматривает проведение различных инъекций (цементация, силикатизация, битумизация, глинизация), замораживание грун­тов.