Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Классификация оползней

Грунтовая толща особенно приповерхностные её слои на склоне, испытывает деформации и без активного развития оползневого процесса. Это связано с промерзанием и оттаиванием верхних горизонтов массива в зимне-весенний период, обводнением и усушкой их в теплое летнее время, с силовым воздействием на грунтовый скелет фильтрующихся грунтовых вод, с изменением напряженного состояния в массиве вследствие увеличения – уменьшения веса грунтов при их увлажнении – высыхании, проявлении взвешивающего эффекта грунтовых вод, влияния локальных подвижек, проявлений отдельных трещин и техногенных изменений рельефа.

Все перечисленные факторы могут вызывать деформирование приповерхностного покрова в сторону падения склона. Это деформирование может происходить в виде медленной ползучести грунтов (известно явление «вековой ползучести») с возможными активизациями при аномальных воздействиях факторов.

Возникновение оползня обусловлено нарушением равновесия массива и деформированием грунтового массива на качественно ином уровне. Под оползневым процессом понимается нарушение равновесия грунтового массива, его деформирование под действием неуравновешенных сил, отделение части массива трещиной растяжения (потенциальной или действительной «стенкой срыва») и движение образованного оползневого тела по поверхности скольжения без потери контакта с несмещаемым ложем.

По характеру нарушения равновесия грунтового массива, особенностям деформирования, которые в значительной степени определяются преобладающим силовым воздействием и механизмом деформирования, оползни можно подразделить на четыре основных типа [1, 2].

Первый тип – блоковые относительно глубокие оползни сжатия (по другим классификациям – оползни выдавливания, раздавливания, оседания, выпирания). Нарушение равновесия массива и деформирование при формировании оползня происходят по схеме сжатия. Под сжимающим вертикальным давлением от веса покрывающих пластов деформируется (раздавливается) горизонт, структурная прочность с грунтов которого меньше указанного бытового давления. Вследствие деформирования грунтов раздавливаемого горизонта в сторону склона происходят проседание и прогиб вышележащего массива с формированием в зоне изгиба сначала концентрации растягивающих напряжений, а затем – трещины закола (опущенной трещины растяжения). Далее по этой трещине отделяется и оседает по крутой криволинейной поверхности скольжения оползневой блок. Поверхность скольжения к склону выполаживается и может быть близкой к горизонтальной [3].

Наибольшее распространение имеют блоковые оползни сжатия, поверхности скольжения которых формируются в глинистых грунтах (рис. 1. а,б). Оползни данного типа поражают берега рек, морей, озёр, образуются на откосах выемок, насыпей, на бортах карьеров. Согласно результатам исследований глубокие блоковые оползни получили развитие и на правом берегу Камы, на участке пересечения реки Ужгородским коридором магистральных газопроводов.

Рис. 1. Схемы оползневых деформаций по механизму сжатия. а, б – оползень сжатия в глинистых грунтах; в – оседание и расползание блоков полускальных и скальных пород; г – выпор дна долины; д – гравитационные складки: глубинная ползучесть с S-образным изгибом пластов; е – гравитационные деформации хребтов.

Оползни данного типа в полускальных и скальных грунтах менее известны. Они встречаются в горных и предгорных регионах. Для них характерно медленное развитие деформации в стадию подготовки смещения, продолжительностью до нескольких сотен лет (рис. 1 в-е).

Второй тип – оползни сдвига (по другим классификациям – оползни скольжения, срезания, соскальзывания, покровные). В допредельном состоянии происходит концентрация в соответствующих зонах грунтового массива касательных сдвиговых напряжений: подготовка сдвигов грунта на крутых участках склона при формировании угла естественного откоса; ползучесть выветрелых приповерхностных склоновых отложений (покровные оползни) с перемещением по схеме бесконечного откоса; сдвиг по предопределенной геологическим строением зоне ослабления (по контакту с кровлей более прочных пород, по плоскости напластования). Деформирование склона (откоса) происходит в виде прогрессирующего сдвига с падением сопротивления по мере деформирования, снижением прочности от пикового значения до остаточного и постепенным формированием поверхности (плоскости) скольжения.

Рис. 2. Схемы оползневых деформаций по механизму сдвига. а – сдвиг-срезание; б – сдвиг по напластованию; в – сдвиг-скольжение покровных масс; г – сдвиг (сплыв) почвенного (почвенно-растительного) слоя; д – изгиб голов крутопадающих пластов.

На крутых уступах сдвиг (скольжение) оползающей части массива происходит, как правило, по криволинейной поверхности скольжения, выходящей к подошве уступа или выше ее (рис. 2а). Таким образом, формируется профиль равнопрочного или равноустойчивого откоса со смещением (нередко обрушением) разупрочненных грунтов. Поверхность скольжения может быть приурочена к наклонным геологическим границам между слоями. При этом могут сдвигаться значительные пачки горных пород (рис. 2б). Схема сдвига по ломаным плоским поверхностям скольжения характерна для оползания делювиально-элювиальных склоновых накоплений по наклонной кровле коренных пород (рис. 2в). Частой формой оползневых проявлений является сдвиг (сплыв) почвенно-растительного покрова (рис. 2г), выявляющийся по серии относительно коротких оползневых трещин. Медленная ползучесть приповерхностного слоя в виде сдвига может наблюдаться на относительно устойчивых склонах с крутым падением пластов прочных пород (рис. 2д).

Третий тип – оползни разжижения (по другим классификациям – оползни течения, сплывы, оплывины, пластические, вязко-пластические). Нарушение равновесия склоновых массивов в виде разжижения происходит вследствие преобладающего силового воздействия подземных (грунтовых) вод. Основной механизм разжижения, рассматриваемый в механике грунтов как фильтрационное деформирование грунта, — это увеличение порового давления (давления воды в порах грунта) и, как следствие, уменьшение эффективных напряжений. В водонасыщенном грунтовом массиве поровая вода в той или иной степени может оказывать на минеральный скелет грунта гидростатическое взвешивание и фильтрационное давление разной направленности, вызываемые фильтрационными объёмными силами. Интенсивность и направленность этих сил зависят от внешних воздействий: статической и динамической нагрузок на склон, скорости фильтрационных потоков и колебания уровня подземных вод, уровенного режима в водоемах и поверхностных водотоках, интенсивности атмосферных осадков и т.д.

Данный механизм формирования оползней особенно характерен для дисперсных грунтов, обладающих слабым структурным скелетом и малой фильтрационной способностью. К ним относятся современные илы, водонасыщенные молодые глины и суглинки, плывуны, почвы, торфы, а также глинистые грунты различного возраста, потерявшие прочность в результате разуплотнения, выветривания и гидратации.

С действием механизма разжижения связано оплывание откосов малосвязного грунта при обводнении в связи с изменением угла откоса от  =  до  = /2 (где  — угол внутреннего трения необводненного грунта). В месте выхода (разгрузки) на поверхность склона подземных вод нередко образуется оползневой цирк с суженной горловиной (рис. 3а). Разжиженные грунтовые массы (продукт обрушения стенки срыва и бортов) в виде вязко-пластического потока перемещаются из горловины на откос с образованием конуса выноса у подножия. Возникающее в результате сильных ливней, обильного таяния снега повышение уровня подземных вод и соответственно восходящие фильтрационные силы могут снизить внутреннее трение в грунте до нуля, а разуплотнение при малых нагрузках (поверхностные слои) – привести к потере связности между минеральными частицами. Разжижение песчано-глинистого грунта в таком случае может произойти даже при небольших уклонах поверхности (1:10 и менее) (рис. 3б). Часто встречаются нарушения локальной устойчивости участка склона в местах избыточного увлажнения грунтов и деформирования в виде оплывин (рис. 3в).

Рис. 3. Схемы оползневых деформаций по механизму разжижения. а – оползневой цирк с узкой горловиной (разгрузка подземных вод); б – оползень-поток; в – оплывина.

Четвертый тип – оползни растяжения с отрывом части массива пород (другие названия: оползни-обвалы, обрушение, сложный оползень). Нарушение равновесия и преобладающее разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений с разделением массива по поверхности разрыва. Монолитные скальные породы могут воспринимать значительные растягивающие напряжения (до 30 МПа), свидетельством чему являются высокие отвесные откосы бортов многих горных долин. При превышении растягивающими напряжениями предела прочности грунта неуравновешенные блоки пород отделяются от остального массива, сползают, обрушаются (рис. 4а). Отделение массива может происходить по разрывным сейсмотектонических трещинам с последующим перемещением по поверхности сдвига (рис. 4б) или проседанием отделившегося массива с деформированием подстилающей толщи глинистых пород (рис. 4в). Наличие крутой подготовленной поверхности сдвига также способствует образованию трещин разрыва в зоне концентрации растягивающих напряжений (рис. 4г).

Из всех рассмотренных типов наибольшую опасность для магистральных газопроводов в условиях Русской платформы представляют глубокие блоковые оползни (см. рис. 1). Борьба с глубокими блоковыми оползнями представляет большую сложность, особенно когда оползневой процесс набирает обороты и приобретает катастрофический характер, вызывая опасное деформирование и разрушительные аварии ниток газопровода.

На данном участке 9 ниток магистрального газопровода находятся в старом оползневом цирке, сформированном глубокими блоковыми оползнями. Мониторинг оползневого процесса должен быть нацелен на выявление глубоких подвижек и контроль состояния глубокого оползня.

Рис. 4. Схемы оползневых деформаций по механизму растяжения с отрывом части массива пород. а – отрыв и скольжение с обрушением блоков скальных пород; б – разрыв по тектонической трещине и скольжение по формируемой поверхности в горном массиве; в – отделение массива по разрывному нарушению и проседание блока пород с деформированием глинистой толщи; г – отрыв по месту концентрации растягивающих напряжений и сдвиг по крутой поверхности напластования.