Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Анализ мероприятий по защите склоновой территории от глубоких оползневых подвижек.

Казеев А.И., Постоев Г.П. // Геоэкология. 2013. №3. С. 224-231. Читать…

!!! При КОПИРОВАНИИ материалов статей — НЕОБХОДИМО ИСПОЛЬЗОВАТЬ библиографические ССЫЛКИ на Статьи !!!

Аннотация

Эффективные защитные мероприятия и рациональное освоение склоновой территории на участках возможного развития глубоких оползневых подвижек должны базироваться на учете особенностей механизма формирования и развития глубоких блоковых оползней.

Ключевые слова: глубокие блоковые оползни, механизм оползня, защитные мероприятия.

Введение

На равнинных территориях, в том числе в пределах больших городов, населенных пунктов, прохождения важнейших коммуникаций (мостов, магистральных трубопроводов, ЛЭП и др.), большое распространение получили глубокие блоковые оползни, особенно по берегам крупных рек. Развитие глубоких оползневых подвижек ставит порой неразрешимые вопросы по защите существующих и проектируемых сооружений.

С одной стороны, медленное развитие деформаций на оползневых участках вызывает иллюзию относительной устойчивости рассматриваемой территории с возможностью хозяйственного ее использования, особенно в условиях тесной городской застройки. С другой стороны, периодические разрушительные активизации оползневого процесса с вовлечением в деформирование значительных территорий, ставят сложные задачи по защите хозяйственных объектов и сохранению исходного ландшафта.

Известно, что укрепление склонов на участках развития глубоких блоковых оползней часто сталкивается со значительными трудностями. Такое положение дел обусловлено сложностью механизма формирования и активизации оползней, большими размерами оползневых цирков и глубоким расположением поверхности скольжения, необходимостью оценки напряженно-деформированного состояния как оползневого массива, состоящего из смещенных оползневых относительно монолитных блоков, так и коренного массива, примыкающего к оползневому склону сверху [4].

В России воздействию оползней, в том числе глубоких, подвержено более 700 городов. Среди них такие большие города, как Москва, Нижний Новгород, Казань, Ульяновск, Волгоград, Чебоксары, Саратов, Саранск, Пермь, Сочи, Ростов-на-Дону, Томск, Барнаул.

С поверхностными относительно неглубокими оползнями с глубиной захвата грунтовой толщи 2–5 м, редко до 10 м, с которыми неизбежно приходится сталкиваться при строительстве на склоновых территориях, обычно удается бороться посредством известного комплекса противооползневых мероприятий, включающего регулирование поверхностных и подземных вод, осушение оползневых масс, повышение прочности и плотности деформирующихся грунтов в зоне смещения оползня и удерживающие сооружения в виде подпорных стен, свайных ростверков, контрбанкетов и контрфорсов.

Значительно более трудная задача – это борьба с крупными, глубокими оползнями. Российский опыт урбанизации оползнеопасных территорий показывает, что полной стабилизации склонов с развитием глубоких оползневых подвижек добиться не удаётся. Наиболее частыми мероприятиями, используемыми для этой цели, являются: берегоукрепление, дренажные штольни, террасирование склона, отсыпка контрбанкета и реже – свайные ростверки.

Однако активизация деформаций и катастрофические подвижки глубоких оползней периодически происходят и на укрепленных склонах, нанося значительный ущерб существующей инфраструктуре. Так в Саратове на склоне Соколовой горы оползни с деформированием нижнемеловых глин (глубина захвата грунтовой толщи более 100 м) происходили в 1783, 1818, 1846, 1869, 1884, 1913, 1915, 1927, 1967, 1968, 1986 гг. с разрушительными деформациями территории города и с выпором дна р. Волги. Объём смещающихся массивов — около 10 млн. м3 [6].

Эффективные защитные мероприятия и рациональное освоение склоновой территории на участках возможного развития глубоких оползневых подвижек должны базироваться на учете особенностей механизма формирования и развития глубоких блоковых оползней. Эти аспекты рассматриваются в данной статье.

Особенности механизма развития глубокого оползня. На этапе формирования оползневого блока в коренном грунтовом массиве происходит сжатие (раздавливание) нижних горизонтов. При этом в грунтах, прочность структурного каркаса которых ниже давления верхних пластов, действует боковой распор (распорное горизонтальное давление). Данному активному распорному давлению противодействует со стороны склона пассивное горизонтальное давление в деформирующемся горизонте. Верхние пласты склоновых отложений оказывают пассивную пригрузку на деформирующийся горизонт. Когда величина вертикальной пассивной пригрузки оказывается недостаточной, чтобы уравновесить упомянутое активное распорное давление, прибровочная часть коренного массива, примыкающая вверху к склону, оседает и отделяется от остальной части коренного массива отвесной трещиной. Новый блок смещается по крутой криволинейной поверхности скольжения (толкая и перемещая существующее тело оползня, состоящее из ранее смещенных блоков), которая выполаживается к основанию (в основном деформирующемся горизонте) до почти горизонтальной поверхности скольжения. Кроме поступательного движения оползневые блоки могут осуществлять повороты по вращательной траектории, нередко увеличивая степень запрокидывания блока по мере удаления от бровки оползневого склона.

Причиной образования природных глубоких блоковых оползней, как правило, является подмыв высоких склонов речными (морскими) водами. В Одессе, по данным П.Н. Науменко [3] скорость размыва пород вследствие абразии превышает среднюю скорость поступления оползневых масс в нижнюю часть склона, вызывая периодическое отделение от плато новых оползневых блоков.

Но последующая активизация глубоких подвижек вполне может происходить и при отсутствии активной переработки нижней части склона. Развитие оползневого процесса в образовавшемся оползневом цирке происходит с разной степенью активности во времени до тех пор, пока отделившиеся от коренного массива блоки, оседая, продолжают толкать и перемещать склоновые оползневые массы к реке. Процесс достигает временной стабилизации, когда оползневой склон выполаживается, и образуется относительно ровная оползневая терраса, примыкающая к высокой стенке срыва – откосу коренного уступа. Критическое значение высоты стенки срыва свидетельствует о достижении предельного состояния устойчивости прибровочной части коренного массива и возможности нарушения равновесия в любой момент.

Особенность механизма активизации глубоких блоковых оползней — так называемое свойство «саморазвития». Оно заключается в следующем. Оседая, отделившийся от коренного грунтового массива оползневой блок «отодвигает» находящиеся перед ним оползневые массы, образуя по границе с коренным грунтовым массивом (по бортовым границам блока) опущенные трещины растяжения, которые глубоко «подрезают» коренной массив. При этом происходит снижение пассивного горизонтального бокового давления со стороны склона в деформирующемся горизонте массива, и формируется новый оползневой блок в коренном массиве.

1. Регламентирующие следствия механизма оползневого процесса.
Цепочка причинно-следственных связей «особенности механизма оползневых деформаций – защитные мероприятия» проиллюстрирована на рис. 1.

1. Активность оползневых смещений в очаге (цирке) обеспечивается высоким положением оползневых блоков, примыкающих к верхней границе (стенке срыва) оползневого склона (см. рис.1а). Смещение оползневого тела, как указывалось выше, вызывается оседанием упомянутого блока и его силовым воздействием на остальную часть оползневого массива в очаге. Интенсивность смещений зависит как от размеров оползневых блоков, грунтов, в которых развивается оползневой процесс, так и от степени воздействия факторов. В прочных скальных массивах, на высоких склонах, этот процесс может протекать в течение многих веков (так называемые оползни «отседания» [6], рис. 2). Это важная закономерность глубоких подвижек. Ее необходимо учитывать в случаях строительства на территории оползневых очагов (цирков) и прилегающей акватории водоемов, и даже в тех случаях, когда по внешним признакам представляется, что на склоне отсутствуют какие-либо деформации.

1 Характерные схемы оползневого склона с развитием глубокого блокового оползня (2), (1) – коренной массив.

Рис.1. Характерные схемы оползневого склона с развитием глубокого блокового оползня (2), (1) – коренной массив.
а — высокое положение верхнего оползневого блока, регламентирующего оползневое смещение (3);
б — поступательное и вращательное движения блоков (4 – маркирующий жесткий слой);
в — бугор сжатия (5) в оползневом теле;
г — образование «подрезающей» трещины (6) у основания стенки срыва и «закольной» трещины (7) в оползнеопасном коренном массиве;
д — предельное состояние коренного массива у стенки срыва с бровкой (8) радиусом R и подготовка нового оползневого блока (9); 10 – поверхность скольжения.

2 Принципиальная схема формирования и развития блочных оползней Восточной Сибири, по Ю.Б. Тржцинскому

Рис. 2. Принципиальная схема формирования и развития блочных оползней Восточной Сибири, по Ю.Б. Тржцинскому [7]: I – оползни глубинной ползучести; II – оползни сдвига и скольжения. 1 – песчаниково-карбонатные или известковистые породы (жесткий кроющий массив); 2 – подстилающие глинистые породы; 3 – разупрочненные глинистые породы, подверженные пластическим деформациям; 4 – обвально-осыпные накопления; 5 – песчано-галечные отложения современного руслового аллювия; 6 – заполнители рвов; 7 – уровни подземных вод; 8 – источники; 9 – трещиноватость пород; 10 – направление и угол падения пород в смещенных блоках; 11 – шурфы.

2. Поступательное и вращательное движения оползневых блоков — специфическое свойство оползней рассматриваемого типа. Оно в значительной степени обусловливается механизмом формирования оползневых блоков в виде сжатия (раздавливания) грунтов деформирующегося горизонта, их выдавливания в сторону склона с оседанием и запрокидыванием блока. На основании изучения оползней на Одесском побережье Черного моря П.Н. Науменко показал, что вращательное движение блоков, по мере их смещения вниз по склону, происходит по траекториям достаточно близким к круговым [3]. Т.е. угол поворота маркирующего жесткого слоя (в Одессе он был представлен слоем известняка понтического яруса плиоцена мощностью 6-13 м) увеличивался по мере поступательного перемещения оползневого массива. При этом под блоками в деформирующемся грунте возникают характерные валы выдавливания (см. рис.1б).

Следствием данной закономерности развития оползневого процесса является необходимость учета разноплановых движений блоков при строительстве сооружений на любом участке оползневого склона (рис. 3). При значительной мощности оползневого массива предотвращение деформаций сооружений и обеспечение его безопасного функционирования становятся задачей трудновыполнимой.

3 Геологический разрез (а) и схема развития вращательных деформаций оползневых блоков (б) в XII амфитеатре в Одессе, по П.Н. Науменко

Рис. 3. Геологический разрез (а) и схема развития вращательных деформаций оползневых блоков (б) в XII амфитеатре в Одессе, по П.Н. Науменко [3]. 1 – лессовидные породы; 2 – глины; 3 – известняки; 4 – глины песчанистые и прослойки песка. Поверхность склона и мэотиса в совмещенном профиле: 5 – до катастрофической подвижки; 6 – после катастрофической подвижки: 7 – предполагаемая граница оползневых смещений. dpQIV (Q+N2pn+N1m) – современные оползневые отложения; vdQI—III – четвертичные отложения; N23 – верхнеплиоценовые отложения; N2pn – понтические отложения; N1m – мэотические отложения.

3. Образование «бугра сжатия». Этот морфоэлемент встречается в оползневых очагах, в которых оползневой массив представлен значительным количеством оползневых блоков, создающих естественный контрбанкет новому отделившемуся от коренного массива блоку (см. рис. 1в). В этом случае в произвольной части оползневого склона в результате давления нового блока образуется выпор – «срединный оползневой бугор сжатия», рис. 4 [1]. Ниже «бугра» по склону оползневые деформации незначительны.

Данное положение регламентирует требования к использованию и размещению удерживающих сооружений. В верхней части оползневого склона активность развития оползневого процесса может сохраняться. Более того, как будет показано ниже, возможна катастрофическая активизация оползневых деформаций.

4 Карта оползневых деформаций на участке Жуковка с выделением «бугра сжатия» [1].

Рис. 4. Карта оползневых деформаций на участке Жуковка с выделением «бугра сжатия» [1]. 1 — плато; 2 — бровка; 3 — надоползневой уступ; молодые оползневые ступени: 4 — с единичными оползневыми трещинами, 5 — сильно разрушенные оползневыми трещинами; 6 — мелкобугристый оползневой рельеф; 7 — срединный оползневой бугор сжатия; 8 — береговой уступ (клиф); 9 — пляж; 10 — подводная пологая часть склона; 11 — опущенная трещина растяжения; 12 — горизонтальная трещина растяжения; 13 — опущенная трещина растяжения и сдвига; 14 — горизонтальная трещина растяжения и сдвига; 15 — трещина сдвига; 16 — поднятая трещина сжатия и сдвига; 17 — поднятая трещина сжатия; 18 — граница между зонами деформаций; 19 — номер зоны деформаций; 20 — линия геологического разреза.

4. Эффект саморазвития глубоких блоковых оползней заключается в том, что каждый новый блок в процессе своего оседания образует на «крыльях» блока опущенную трещину растяжения вследствие «отодвигания» блоком от стенки срыва всего оползневого массива (см. рис.1г). При этом оползневая трещина (6) «подрезает» оползнеопасный массив (1), образуя «закольные» трещины на его верхней площадке, свидетельствующие о начале процесса снижения его устойчивости и подготовке нового оползневого блока.

Такие события нередки на фронтальных протяженных (вдоль берега) оползневых цирках, что характерно главным образом для морских побережий. В Одессе в одном и том же оползневом амфитеатре в 1964 г. произошла катастрофическая активизация с образованием нового блока длиной (вдоль берега) 420 м. А в 1965 г. в соответствии с эффектом «саморазвития» к югу от участка активизации 1964 г. образовался новый оползневой блок длиной 270 м, вызвав также катастрофическую активизацию смещения оползневых масс в амфитеатре (очаге) [3].

Иногда считают, что интенсивность развития глубоких оползневых подвижек, главным образом, определяет боковая эрозия (абразия). Но эффект «саморазвития» свидетельствует, что, раз начавшись, процесс образования оползневых блоков и развития оползневых деформаций в сформировавшемся очаге может продолжаться и без влияния внешних воздействующих факторов, в том числе переработки нижней части склона, т.е. удаления естественного упора.

Учет указанной особенности механизма необходим при проектировании противооползневых мероприятий, в частности, для обеспечения устойчивого состояния краевой части плато (надоползневого уступа), особенно в центральной его части (вблизи осевого створа) оползневого цирка.

5. Механизм катастрофической активизации оползневого процесса. Как указывалось выше, развитие оползневого процесса в виде глубоких блоковых подвижек затухает, когда образуется ровная оползневая терраса (см. рис. 1д) – завершение оползневого цикла.

При этом по оси цирка (очага) высота стенки срыва достигает критического значения Hcr. В этот момент на оползневом склоне деформации временно отсутствуют, тело оползня (2) неподвижно, но коренной массив (1) находится в предельном состоянии, которое для данного оползневого цирка может быть определено по уравнению [5]:
ф1 расчет оползней. расчет устойчивости склона
где σ1а и σ1р,cr – значения вертикального бытового давления на горизонт с плоскостью скольжения соответственно в коренном массиве (активная зона) и оползневом массиве (пассивная зона); σstr – структурная прочность грунта в коренном залегании на указанном горизонте; R – радиус кривизны бровки рассматриваемого оползневого цирка, а 1/R – кривизна бровки оползневого склона.

Переход от временно устойчивого предельного состояния к катастрофической активизации оползневого процесса с образованием нового оползневого блока и разрушительными деформациями, охватывающими весь оползневой цирк, может произойти как в виде эволюционного изменения напряженно-деформированного состояния в оползнеопасном коренном массиве, так и внезапно, вследствие аномального воздействия какого-либо фактора. Последний служит «спусковым крючком» активизации оползневых деформаций [2].

Таким образом, важнейшие задачи противооползневых мероприятий на участке развития глубоких блоковых оползней следующие: своевременное выявление участков оползнеопасного коренного массива, состояние которых приближается к предельному; определение местоположения в разрезе массива поверхности скольжения и поступательного движения оползневых блоков; разработка эффективных способов повышения устойчивости выявленных участков с предельным состоянием для предотвращения образования новых оползневых блоков и развития разрушительных оползневых деформаций.

На основании анализа механизма развития оползневых деформаций в рассматриваемом цирке и теоретических решений [5] авторами разработана программа PK-slide для выявления поверхности скольжения (10) – см. рис.1д. Для оползневого участка, представленного на рис. 5, расчетное (по программе) значение глубины поверхности скольжения относительно бровки оползнеопасного массива составило 31.3 м. По данным инклинометрических измерений – 31.0 м, т.е. фактически достигнуто почти полное совпадение результатов.

5 Схематический инженерно-геологический разрез склона в центральной части участка активизации оползневого процесса (Москва, Хорошево-1):

Рис. 5. Схематический инженерно-геологический разрез склона в центральной части участка активизации оползневого процесса (Москва, Хорошево-1): 1 – зона оседания блока и формирования зоны выпора-сжатия в головной части оползня; 2 – зона поступательного горизонтального смещения; 3 – зона выпора-сжатия в языке оползня; 4 – поверхность скольжения; 5 – тело оползня; 6 – пески четвертичных отложений; 7 и 8 – соответственно глины волжского и оксфордского ярусов юрской системы; 9 – вал выдавливания деформирующегося грунта под блоком.

Авторами предложен новый способ укрепления оползнеопасного массива (патент РФ №23407292413056), позволяющий, путем образования в краевой части плато секущей выемки с расчетными размерами, повысить устойчивость оползнеопасного массива до требуемого уровня. Имеются также и другие предложения, направленные на решение задачи обеспечения устойчивого состояния оползнеопасного массива и недопущения катастрофической активизации.

Заключение

Механизм образования глубоких блоковых оползней и особенности развития деформаций в соответствующих оползневых цирках в значительной степени предопределяют стратегию освоения оползневого склона и осуществления защитных мероприятий.

Традиционные способы укрепления оползневого склона с развитием глубоких подвижек (удерживающие сооружения, дренажные мероприятия, цементация и т.д.), как правило, малоэффективны, так как оползневые блоки имеют значительную мощность и обладают большой потенциальной энергией. При разработке мероприятий по стабилизации глубоких оползней необходимо учитывать особенности механизма (вращательные и поступательные движения блоков, образование бугра сжатия, эффект саморазвития и т.д.) и часто большие размеры фронтальных оползневых цирков, что в целом требует неординарного подхода к решению задач по укреплению склона. Исходя из этого, особенно в случаях медленного развития деформаций оползневого массива, при планировании хозяйственного использования рассматриваемой территории и проектировании конструкций сооружений целесообразно учитывать возможность деформаций и предусматривать мониторинг состояния сооружений и их профилактический ремонт. Противооползневые мероприятия нередко также целесообразно направлять не на стабилизацию всего оползневого массива в цирке, а на защиту и обеспечение нормального функционирования расположенных в нем сооружений.

Основная задача защитных мероприятий на участке развития глубоких блоковых оползней по механизму сжатия-выдавливания — выявление на прилегающем плато массивов, находящихся в предельном состоянии, и осуществление мер по предотвращению катастрофической активизации оползневого процесса. На основе разработанных теоретических решений по определению предельного равновесия сил взаимодействия коренного оползнеопасного массива и примыкающих к нему смещенных блоков оползневого массива, предложены способы повышения устойчивости коренного оползнеопасного массива с целью устранения угрозы образования нового оползневого блока и развития разрушительных деформаций.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 090500201-а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гулакян К.А., Кюнтцель В.В., Постоев Г.П., Ерыш И.Ф. Механизм глубоких оползней, связанных с древней корой выветривания неогеновых отложений Керченского полуострова. // Проблемы и методы инженерно-геологических исследований. М.: ВСЕГИНГЕО. 1973. Вып. 76. С. 16-28.
2. Казеев А.И. Причины и механизм катастрофической активизации глубоких блоковых оползней в г. Москве // Городские агломерации на оползневых территориях. Матер. 5 междунар. конф. по геотехнике 22-24.09.2010. Волгоград: ВолгГАСУ. 2010. С. 57-64.
3. Науменко П.Н. Условия формирования и инженерно-геологическая характеристика оползней Черноморского побережья Одессы // Оползни Черноморского побережья Украины. М.: Недра. С.57-100.
4. Постоев Г.П. Глубокие блоковые оползни на урбанизированных территориях // Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий. Матер. междунар. симп. Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС. 2001. Т. 1. С. 335-342.
5. Постоев Г.П. Уравнения состояния массива при формировании оползней // Инженерная геология. 2010. № 4. С. 48-53.
6. Тихвинский И.О. Оценка и прогноз устойчивости оползневых склонов. М.: Наука. 1988. 144 с.
7. Тржцинский Ю.Б. Глубокие оползни Восточной Сибири // Геоэкология. 1996. № 3. С. 74-87.

 

THE ANALYSIS OF PROTECTIVE MEASUREMENTS ON SLOPE TERRITORY WITH DEEP BLOCK-TYPE LANDSLIDES

G.P. Postoev, A.I. Kazeev

Sergeev Institute of Environmental geosciences RAS, 101000, Moscow, Russia
Phone +7(495)6074623, Fax +7(495)6231886, info@opolzni.ru

Deep block-type landslides are widespread on plain territories. The article contains scientific explanation of effective reinforcement of the considered landslide type. The suggested protection strategy bases on theoretical solutions of destructive phase forming (prepare) of landslide deformations, on taking into account mechanism peculiarities of deep block-type landslide development, and also on investigation experience of such landslides in different engineering-geological conditions.

Effective protective measures and the rational exploitation of slope territory to the areas of possible development of deep landslide motions should be based on the consideration of the peculiarities of the mechanism of formation and development of deep block-type landslides.

Key words: deep block-type landslides, landslide mechanism, protective measurements.