гидрологический режим;

-механизм переработки берегов;

-динамические типы берегов и т. д.

Потом вычисляются критерии геологического подобия (КГП), которые представляют собой безразмерные числа, отражающие су- шеи венные стороны явлений и их взаимодействий. JI. Б.Розов- 1М1Й считает, что общими (уникальными) и определяющими для зих апьбомов будут три критерия:

К_] — критерий геодинамического подобия, представляющий отношение энергии факторов, способствующих разрушению бере- ювых уступов к потенциальной энергии факторов, противодейст­вующих этому разрушению;

К₂ — критерий литологического подобия;

/С, — критерий геометрической формы, который может быть зыражен любой морфологической характеристикой.

Достаточное совпадение этих критериев на аналоге и объекте позволяет оценить процесс абразии на интересующем участке.

В заключение приведенных выше примеров — методик расчета переработки берегов — еще раз подчеркнем, что, как видно из всего вышеизложенного, не может быть универсальной методики прогноза ширины зоны размыва из-за значительного разнообразия природных условий.

По различным критериям все виды прогнозов переработки бе регов водохранилищ могут быть объединены в три разных класса (рис. 11.17). Так, временные прогнозы подразделяются на кратко­срочные (предупредительные) с периодами прогнозирования от 1 до 10 лет и долгосрочные (перспективные), включающие прогнозы на 10 и более лет, в том числе на конечную стадию развития бере­га. Пространственные прогнозы объединяют в себе локальные, ха­рактеризующие переработку по отдельным профилйм (профиль­ный прогноз) или участкам (площадной прогноз) и выполняемые б масштабах 1 : 1000—1 : 10000; и региональные, характеризующие переработку по периметру всего водохранилища или его отдель­ной части и производимые в масштабах 1 : 25 000—1 : 200000. По теоретическим предпосылкам обоснования расчетов все методы подразделяются на три группы — энергетические, геологического подобия и вероятностно-статистические (или стохастические, по Г. С. Золотареву (1990)).

Рассмотрим подробнее условия применения некоторых из них в соответствии с методическими рекомендациями.

Региональный прогноз переработки берегов имеет ориенти­ровочный характер и позволяет характеризовать общие условия развития абразии (протяженность размываемых берегов, средняя вечичина размыва по отдельным разностям пород, площади утра­ченных земель и т. д.) на любой срок до конечной стадии перера- бо1ки. Локальный прогноз предполагает установление объемов размытой породы и величин линейного отступания береговой бровки на конкретных ключевых участках также на любой срок по конкретным расчетным поперечникам. Региональный прогноз выполняется преимущественно на стадии защиты прибрежных территорий, локальный же прогноз — на всех стадиях инженер­ных изысканий, а также освоения зон влияния водоемов с уточне­нием и корректировкой результатов прогнозов.

Временные прогнозы определяются характером решения по­ставленных задач и выполняются на всех стадиях изысканий и экс- 11 [уатации водоемов. При этом краткосрочные предупредительные прогнозы развития опасных геологических процессов могут иметь весьма короткий период прогнозирования (до месяца или даже дня).

Более подробно остановимся на классе методов теоретического обоснования расчетов, выполняемых как профильный локальный

прогноз.

Энергетические методы основаны на учете количественной меры энергии, характеризующей взаимодействие волн и пород, с игающих берег. Главным теоретическим постулатом здесь явля­йся пропорциональность суммарного количества энергии волн и обьема размытой породы. К ним относятся методы Е. Г. Калугина, Е. К. Гречищева, В. А. Пышкина, Н. Г. Варазашвили, Института земной коры СО РАН и др. Эти методы наименее применимы при прогнозе абразионного развития берегов, сложенных дисперсными породами. Для высоких склонов, имеющих сложное геологическое с 1 роение, в котором участвуют скальные и полускальные фунты, расчеты абразии по этому методу менее надежны, ибо коэффици­енты размываемости очень упрощенно учитывают процессы разу- п ютнения и выветривания массивов пород.

Группа методов геологического подобия (или сравнительно-ге- оюгические) основывается на качественном, описательном, экс­пертном или количественном сопоставлении «эталонного» и оце­ниваемого объектов. Анализ критериев подобия (геологического, морфометрического, гидрологического, динамического, времен­ною) позволяет сделать вывод о сходстве сравнительных объектов и перейти к прогнозу изменений на оцениваемом участке в буду­щем. Среди таких методов в первую очередь следует назвать метод аналогий, разработанный Л. Б. Розовским для водохрани- 1ищ Украины, графоаналитический метод Г. С. Золотарева для берегов сложного строения при нестационарных уровнях, метод

развития закарстованных берегов И. А. Печеркина и др. Область применения этих методов широка. Они могут быть использованы на разных водохранилищах для расчетов развития береговых скло­нов разнообразного геологического строения. В частности, графо­аналитический метод Г. С. Золотарева хорошо зарекомендовал себя при прогнозе развития высоких оползневых склонов в усло­виях значительного колебания уровня водоема.

Вероятностно-статистические методы, предполагающие за­кономерно-затухающее развитие процессов, основаны на^чанализе фактических данных переработки берегов во времени и простран­стве с учетом влияния волновых факторов, ее определяющих. В качестве примера можно привести метод стохастических моде­лей, подробно описанный в работе В. К. Епишина и В. Н. Экзарья- на (1979). Эти методы применимы только для уже существующих эксплуатируемых водохранилищ, на которых накоплены значи­тельные ряды наблюдений за переформированием берегов. В прин­ципе они могут использоваться для прогноза развития любых неоползневых берегов, в строении которых участвуют различные породы, за исключением быстрорастворимых галоидных и супь- фат-ангидритовых разностей.

Современный этап развития инженерно-геологических иссле­дований в области изучения береговых зон водохранилищ характе­ризуется не только разработкой и усовершенствованием методик расчетов параметров абразионно-аккумулятивного процесса. Су­щественная роль в этих работах отводится оценке влияния создан­ных водоемов на геологическую среду и созданию геоэкологичес­кого мониторинга. Проиллюстрируем это на примере эксплуати­руемых довольно долгое время Ангарских водохранилищ.

Иркутское, Братское и Усть-Нлимское водохранилища оказали существенное воздействие на естественные природные условия об­ширного региона юга Восточной Сибири. По сути дела эти при­родно-технические системы и их геологическая деятельность представляют собой грандиозный геодинамическйй полигон спро­воцированного человеком геологического неравновесия. И это в первую очередь отразилось на геологической среде. Уже сейчас, несмотря на незначительный с позиций геологического времени срок, произошло изменение отдельных свойств горных пород (табл. 11.7). Как уже отмечалось выше, в прибрежных зонах про­изошло изменение морфометрии рельефа — уменьшилось коли­чество пологонаклонных склонов. В результате формирования подпора подземных вод изменились и гидрогеологические условия.

Создание водоемов существенно изменило ход развития ве­дущих экзогенных геологических процессов и в ряде случаев серь­езно осложнило экологическую обстановку, что в свою очередь привело к негативным, как правило, необратимым изменениям природной среды в целом. В процессе создания и эксплуатации водоемов образована новая береговая линия, в пределах которой начала развиваться абразия, активизировались карст, суффозия,

оползни, нарушился ход эрозионных процессов, отдельные из них проявились в катастрофических размерах. Все процессы, за ис­ключением абразии, имеют унаследованный характер, определяе­мый взаимодействием естественных и техногенных условий и фак­торов. С другой стороны, все эти процессы, включая абразию, в настоящее время не затухают, а, наоборот, увеличиваются как по размерам, так и по темпам развития. Существенную роль в этом играют техногенные колебания уровней водоемов, особенно залпо­вые сбросы воды. Несоответствие проектных и фактических уров­ней, особенно на Братском водохранилище, обусловливает интен­сивное протекание процессов и приводит к значительным потерям земель (табл. 11.8).

Таблица 11.8

Мероприятия по защите берегов от переработки (по Б. В. Трепетцову)

Наибольшее развитие как по интенсивности, так и по масшта­бам проявления получили абразионно-аккумулятивные процессы Максимальные размывы отмечаются на берегах Братского и Ир­кутского водохранилищ, при этом ширина размыва достигла уже 200 м, она приурочена к берегам, сложенным суглинкдМи, в том числе и лёссовидными. Скорость размыва берегов определяется положением уровня водоемов. Так, при повышении уровней про­исходит интенсивная абразия с формированием абразионно-акку­мулятивных отмелей, на которых энергия волны начинает гаситься и отступание береговой бровки замедляется. Сработка и резкие значительные по амплитуде сбросы воды способствуют размыву сформировавшихся отмелей. В 1975—1982 гг. при постоянном па­дении уровня Братского водохранилища произошли размывы по­верхностей отмелей на ширину до 40 м. На некоторых отмелях наносы были уничтожены полностью и началась абразия как под­стилающих пород на глубину до 0.5 м, так и клифа, т. е. началась интенсивная переработка берегового откоса, при этом ее скорость колебалась от 0.5 до 0.8 м в год. Если на берегах, сложенных скальными и полускапьными породами, начинает проявляться не­которое замедление процесса абразии, обусловленное врезанием профиля берега в монолитные коренные отложения, то на скло­нах, формирующихся в рыхлых отложениях, этого не происходит (рис. 11.18). Объемы размыва за период эксплуатации достигают на отдельных участках 1400 м³ на погонный метр берега. Увеличе­ние объемов происходит равномерно от года к году. Если размыва берегового склона в маловодные годы практически не отмечается, то общие объемы размыва в эти периоды за счет абразии осушен­ных отмелей все равно возрастают (рис. 11.19).

Рис. 11.20. Карстовая воронка, возникшая на берегу Братского водохра­нилища в гипс-ангидритовых породах.

Рис И 21 Деформация здания школы в пос Новонукутск в результате активизации карстово-суффозионных процессов (фото В М Литвина)

121-127

Рис. 11.23. Уровенный режим и активизация оползней на Братском во­дохранилище.

1 — оползневые смещения; 2 — максимальный уровень воды; 3 — минимальный

уровень воды.

ческого материала, его анализ и обобщение требуют высокой ква­лификации исполнителей и больших затрат труда и времени. В связи с этим для обеспечения современного уровня мониторинга береговых процессов необходимо внедрение электронно-вычисли­тельных средств с разработкой соответствующих систем и про­грамм. Первым этапом этой работы и является построение баз дан­ных, которые представляют собой качественно новый уровень на­копления, хранения, обработки и использования информации в научных и практических целях, они явятся одним из основных блоков любой системы мониторинга, моделирования процесса и инженерно-геологических оценок на всех уровнях.

База геодинамической информации, включающая в себя зане­сение и обработку полученного фактического материала, состоит из блока статистической информации (геологическое строение, морфометрия склонов, типы берегов, уровенный и ветровой режим, расчеты высот волн и энергии волнения и т. п.) и блока динамической информации (факторы, управляющие взаимодейст­вием, режим и т. д.). Следующим этапом должна явиться програм­ма, обеспечивающая завершающую стадию мониторинга модели­рования абразионно-аккумулятивных процессов — прогноз разви­тия берегов. Этот блок представляет метод расчета размыва берегов с учетом комплекса факторов, а также режима эксплуата­ции водоема и сами количественные расчеты по динамике берего­вой зоны за период существования водохранилища. Заключитель­ным этапом является прогноз, который включает в себя прогнози­рование по отдельным створам (профильное прогнозирование) и прогнозирование по отдельным участкам берега (площадное про­гнозирование).

Такая комплексная система подхода к оценке динамики бе­реговых зон позволяет систематизировать огромное количество разнообразных фактических данных, быстро и достоверно осу­ществлять расчеты и устанавливать закономерности формирова­ния берегов, а также оценивать качественно и количественно гео­экологическое воздействие процессов на прибрежные территории.

ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЗАЩИТЕ БЕРЕГОВ ОТ ПЕРЕРАБОТКИ

Общая стратегия и тактика проведения берегоукреплений мор­ских побережий изложена во многих работах (Зенкович, 1962; Ломтадзе, 1977; Говард, Ремсон, 1982; Золотарев, 1983, и др.). Способы защиты берегов, развивающихся в тех или иных услови­ях, обосновываются соответствующими работами при проектиро­вании и создании различных гидротехнических сооружений, на­правленных либо непосредственно на укрепление береговых скло­нов, либо на гашение энергии волнения. О самих мероприятиях поговорим несколько позднее. Сейчас мы подробнее остановимся

на обосновании инженерной защиты в системе мероприятий по обустройству водохранилищ.

В 1981 году Госстроем СССР были определены требования по разработке различных видов схем инженерной защиты террито­рий, в том числе и побережий водохранилищ. В соответствии с требованиями к материалам и нормативному обеспечению инже­нерных изысканий на водохранилищах (Формирование берегов..., 1988) эти вопросы должны решаться в процессе общих инженер­ных изысканий, направленных на разработку решений по проек­тированию и строительству гидротехнических объектов. Основная задача таких изысканий — обоснование технических мероприя­тий по инженерной защите прибрежных территорий от переработ­ки берегов. Задача эта решается в несколько этапов (рис. 11.24). Генеральная схема инженерной защиты предусматривает разра­ботку принципиальных положений и разрабатывается в мелком масштабе. На этом этапе имеющиеся общие сведения могут быть дополнены рекогносцировочными обследованиями прибрежных зон с целью выявления мест интенсивного развития абразии. Спе­циальные схемы инженерной защиты содержат конкретные проект­ные решения по основным типам сооружений. Они обосновыва­ются расчетами локальных и региональных прогнозов развития процесса на 10, 20 и более лет, включая конечную стадию. Осно­ванием для выполнения таких расчетов служат данные изысканий и режимных наблюдений. Изыскания, проведенные на этапе детальной схемы инженерной защиты, должны обеспечивать про­ектные решения по типам и основным конструктивным особен­ностям сооружений защиты и их технико-экономическим пока­зателям. Результаты выполненных изысканий должны иметь по­дробную количественную характеристику природных условий и

| Генеральная схема инженерной защиты j

возможных опасных процессов на основе расчетов локальных долгосрочных и краткосрочных прогнозов их развития. Работы выполняются в крупном масштабе. Наиболее ответственными эта­пами обоснования инженерной защиты являются проект и рабочая документация, на которых утверждаются конкретные проектные решения по типам, конструкциям, параметрам и компонентам со­оружений защиты Основные масштабы исследований для разра­ботки проекта — 1 1000 — 1 : 5000, рабочей документации — 1 : 1000. На этих этапах изыскания проводятся не только на участ­ке предполагаемого строительства, но и на Прилегающей террито­рии в зонах возможного воздействия проектируемых сооружений на развитие береговых процессов и подпор подземных вод.

Такова общая схема обоснования защитных мероприятий в бе­говых зонах водохранилищ. А что касается самих мероприятий, то берега водохранилищ могут защищаться теми же способами, что и морские берега. Как уже отмечалось выше, все эти мероприятия объединяются в две группы (табл. 11.6), при этом очень часто они используются в комбинациях друг с другом (Золотарев, 1983). Справедливости ради следует отметить, что в России в настоящее время для защиты берегов водохранилищ от размыва наиболее часто применяются дамбы, облицовка береговых откосов, одер- новка, отсыпка камнем и песком и на отдельных участках — со­оружение ряжей. В связи с высоким освоением прибрежных тер­риторий наибольшей защиты требуют берега водохранилищ евро-

пейской части России. Так, на Чебоксарском и Нижнекамском водохранилищах для защиты прибрежных селитебных территорий и сельхозугодий предусмотрено сооружение дамб и берегоукрепле- ний длиной (соответственно) 190 и 200 км, отсыпка камня, щебня и гравия (для создания так называемых свободных пляжей) 1.7 и 3.3 млн м³. На Байкале, который сейчас стал частью Иркутского водохранилища, широко применяются ряжи, волноотбойные стен­ки, волноломы и буны, в последние годы вдоль юго-восточного берега озера, по которому проходит Транссибирская магистраль, ведется интенсивная отсыпка камня и дресвы. На Братском водо­хранилище в районе дер. Бильчир, чтобы предохранить берега от абразионного размыва, верхняя часть берега была облицована бе­тонными плитами. Однако при этом проектировщики не учли ве­личину максимальной сработки водоема. При низких уровнях на­чался подмыв основания облицовочной стены, в результате бетон­ные плиты были деформированы (рис. 11.25). Этот пример еще раз подчеркивает, что выбор способа защиты берегов от абразион­ного размыва определяется многими факторами. И недоучет любо­го из них может привести к печальным последствиям.

ми. По другим данным, объем размытых пород на 1 км длины реки составляет в год от (1.1—1.5) 10⁴ м³ для среднего течения Волги и Днепра до 3.6 10⁴ м³ для нижнего течения Волги. Твердый сток Дуная в Черное море составляет 3.8 1CF м³ в год при годовом стоке воды около 200 км³.

Кинетическая энергия движущейся воды Р_в выражается как

Р_в = ~-- (12.1)

где V =f(i); т — масса воды; V — скорость потока; i — наклон русла водотока. По И. В. Мушкетову (1903 г.), работа рек характе­ризует их «живую силу». Это выражение дает возможность рас­членить эрозионный процесс по месту его развития по критерию i и построить схему распространения его видов (рис. 12.1). Для этого воспользуемся классификацией склонов, предложенной Ф. П. Саваренским (1939) (табл. 12.1), и известным законом гид­равлики (законом Эра), в соответствии с которым масса минераль­ных частиц M = AV⁶, где V — скорость потока, А — коэффи­циент. Наблюдения показывают, что в естественных условиях M = AV*.

Интенсивность и масштабы эрозионного разрушения зависят от большого количества условий и факторов, поэтому строгая привязка к одной водной энергии (силе воды) не может привести к надежным оценкам и прогнозам. Достаточно включить в рас­смотрение геологическое строение территории, чтобы во много раз увеличить сложность изучения и уменьшить надежность полу­ченных результатов. Тем не менее проведенные исследования по­казывают, что на территориях со слабозаметным наклоном поверх­ности (до 1—2°) во время дождей формируются струйки воды ламинарного режима движения, которые прокладывают первые бороздки в почвенном слое (струйчатая эрозия).

Эрозия первого типа — почвенная эрозия, будучи очень неглу­бокой, создает густую сеть субпараллельных борозд, которые в ко­нечном итоге сливаются в единую плоскость смыва почвенных го­ризонтов. Начинается так называемый плоскостной смыв. Смыв чередуется с выдуванием почв (дефляцией или ветровой эрозией), но разделить эти два процесса не всегда удается. При маломощных почвенных покровах или при их полном отсутствии (например, в результате смыва) плоскостной смыв захватывает рыхлые отложе­ния, породы кор выветривания и другие слабые образования. На­блюдения показывают, что сплошной смыв проявляется уже при углах наклона склонов в 5—10°. Иногда этот процесс называют склоновым, или делювиальным, смывом. При углах склонов более 8—-10° начинает проявляться другой тип эрозии в песчано-глинис­тых породах — оврагообразование. Мы привели примеры прояв­ления эрозионного процесса, вызванного временными водотоками, которые формируются за счет дождевых и талых вод и питают постоянные водные артерии — ручьи, речки и реки. В этих арте­риях происходит непрерывное взаимодействие между горными по­родами и текучей водой в виде речной (русловой) донной и боко­вой эрозии. Режим движения воды в постоянных водотоках, как правило, является турбулентным, так как скорость течения в них превышает 0.5—2.5 м/с. Для сравнения отметим, что ламинарный режим характерен для скоростей порядка 0.1—0.7 м/с.

Каждый из названных видов эрозионной деятельности имеет большое значение для формирования инженерно-геологических условий территорий, поэтому они изучаются в отдельности, хотя переходы из одного вида в другой происходят постепенно, без рез­ких границ и строгих классификационных признаков.

В «Динамической геоморфологии», как уже отмечалось выше, отдельно рассматриваются флювиальные процессы как результат леятельности временных и постоянных водотоков. В табл. 12.2, за-

имствованной из монографии «Динамическая геоморфология» (1992), приведены основные виды флговиальных процессов и их результаты.

УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ ЭРОЗИОННОГО ПРОЦЕССА

Несмотря на большие различия между отдельными видами эро­зии, всем им присущи некоторые общие принципиальные черты. Все они зависят в первую очередь от геолого-геоморфологических условий, а многие факторы аналогичны по своему воздействию. Покажем это на специальной структурной схеме (рис. 12.2). Эро­зионный процесс является результатом динамического взаимодей­ствия геологической среды с поверхностными водотоками, причем последние выступают в качестве возбудителя этого взаимодейст­вия. Воздействие водотока определяется количественным показа­телем — кинетической энергией (силой) движущейся воды, вели­чина которой зависит от природной обстановки, характеризую­щейся конкретными геоморфологическими, климатическими и гидрологическими условиями. Но под влиянием интенсивной и разнообразной человеческой деятельности природная обстановка постоянно претерпевает дополнительные изменения рельефа, гид­рологии, режима поверхностного стока и т. д. Все природные и техногенные изменения в конечном итоге сказываются на силе возбудителя эрозионного процесса Р_в, которая имеет решающее значение, так как склоны занимают 4/5 поверхности суши. Кроме

о

S

о

&)

факторов, .поскольку они вызывают изменения отдельных ее ком­понентов, а следовательно, и среды в целом.

Результаты различных видов эрозии также имеют некоторые общие черты, которые следует перечислить перед тем, как деталь­но рассматривать каждый вид эрозии отдельно. Они заключаются в следующем:

1. разрушение горных пород поверхностными водотоками с последующим выносом разрушенного материала в виде твердой минеральной фазы и растворенных соединений;

транспортировка и аккумуляция разрушенных горных пород в виде аллювиальных, делювиальных и пролювиальных отложений в системе поверхностных водотоков и в виде илов в озерах, морях и океанах;

формирование естественных форм рельефа территории (русел, долин, оврагов, балок);

подготовка склонов различных эрозионных форм к возник­новению и развитию на них гравитационных процессов (оползней и обвалов) в результате эрозионной подрезки;

резкое увеличение масштабов проявления техногенной эро­зии под влиянием разнообразной деятельности человека во многих регионах.

ПЛОСКОСТНОЙ СМЫВ. ЭРОЗИЯ почв

Атмосферные осадки в виде дождей, а также талая вода стекают по естественным склонам и искусственным откосам любой кру­тизны и формируют на их поверхности струйчатые потоки разной разрушительной силы. На обнажениях, сложенных легкоразмывае- мыми отложениями (песками, лёссами, суглинками, глинами невы­сокой степени литификации, верхними горизонтами кор выветри­вания, почвами и др.), эти слабые струйки при незначительном ук­лоне и скорости начинают формировать бороздки треугольного сечения глубиной до 3—5 см, которые ниже по склону, по мере воз­растания энергии потоков, углубляются до 10—20 см и переходят в формы трапециевидного сечения. На задернованных склонах и от­косах, и особенно на обнажениях твердых скальных и полускаль- ных пород, формирование подобных борозд происходит медленнее но вымывание и вынос мелкого материала вниз по склону осущест­вляется быстрее из-за большей крутизны скальных обнажений Большое количество водных струек субпараллельного расположе­ния осуществляет в конечном итоге смыв и вынос материала по всей поверхности, а в нижних, более пологих, участках склона и на бер­мах искусственных откосов накапливается рыхлый материал — де­лювий. Разрушительная деятельность этих временных струйчатых водотоков носит название поверхностной, плоскостной, струйча­той, или делювиальной, эрозии (или смыва). Интенсивность делю­виального процесса зависит от следующих условий и факторов

а) количества и скорости стекающей воды; б) разрушающего дейст­вия капель дождя; в) свойств пород и почв; г) плотности раститель­ного покрова; д) неровностей в микрорельефе склона (Динамичес­кая геоморфология, 1992).

Для прогнозирования делювиального смыва используют эмпи­рическую формулу А. Н. Костикова, дающую возможность опреде­лить скорость временного водотока V* по мере удаления от водо­раздела вниз по склону:

V_x = Vc*A7, (12.2)

где с = 5 VT, 8 - коэффициент, зависящий от шероховатости по­верхности склона и изменяющий свое значение от 7 до 30; i - крутизна склона; к - коэффициент стока; J - интенсивность осад­ков; х - расстояние от водораздела до рассматриваемой точки на склоне.

Крутизна склона имеет существенное значение для формирова­ния скорости движения минеральных частиц. Наблюдения на склонах в Хибинах с крутизной от 2 до 28° показали, что измене­ния скоростей движения наиболее подвижной пылеватой фракции (мелкозема) составляют от 2.5 до 50 см в год.

Полученные опытным путем данные позволяют определить раз­меры обломков, переносимых водными потоками разной скорос­ти, и сделать прогнозы о возможности их переноса на различных участках склона с известным геологическим строением при опре­деленной скорости потока V_x. Так, например, частицы песков раз­ной крупности переносятся при скоростях потока 0.16—0.21 м/с, галька разных размеров — при V_x = 0.31—1.62 м/с, а валуны при V, = 2.27—11.69 м/с. В качестве критерия предварительных про­гнозов можно использовать эмпирически скорректированный закон Эра: М = AV⁴. При прочих равных условиях разрыхленный материал в большей степени подвержен склоновому процессу, в котором принимают участие размыв, вымывание, выдувание и раз­вевание, осыпание и оплывание. Все эти перемещения минераль­ной фазы пород происходят параллельно с их выветриванием, ко­торое и в данном случае играет роль подготовительного процесса.

Наиболее подготовленными для развития плоскостного смыва являются техногенные откосные сооружения —дорожные выемки, насыпи, карьеры, земляные плотины, дамбы, отвалы и терриконы и др. В результате длительного, порой незаметного для глаза, развития эрозионного процесса наступают ситуации, угрожающие устойчи­вости и нормальной эксплуатации этих сооружений, а вымываемый материал заиливает и заполняет дорожные водоотводящие и дре­нажные сооружения, водоемы, проезжую часть дорог, земельные угодья. При этом, конечно, к делювиальному смыву прибавляется ветровая эрозия (выдувание и развевание мелких частцц разрых- тепных пород). Особенно сильно впечатляют результаты склоновой эрозии после проливных дождей и быстрого таяния снега.

Следует рассмотреть отдельно эрозию почвенного покрова, зани­мающего пространства наиболее пологих склонов с углом поверх­ности менее 10° и очень чувствительного к эрозионным процессам (делювиальному и ветровому). Проблемы землеустройства и земле­пользования являются общими для современного общества, поэтому специалист в области инженерной геологии, изучающий горные по­роды как грунты, должен иметь соответствующие представления о почвах. И. В. Попов (1951), как известно, выделял три вида эрозии, в том числе эрозию почв — «смыв дождевыми и талыми водами поч­венного слоя». Довольно подробно эрозию почв рассматривал и

Н. В. Коломенский (1964), который отмечал большой урон, наноси­мый сельскому хозяйству эрозией, в связи с чем считал борьбу с ней важной государственной задачей. Наблюдения показывают, что по­следствия почвенной эрозии пагубны для многих развитых стран Ев­ропы, Америки и Азии. Как отмечал С. С. Соболев еще в 1948 году, сильные ливни производят такие разрушения почвенного покрова, которые сток талых вод может сделать за 10—20 лет. В настоящее время принято определять эрозионный индекс осадков, представля­ющий собой произведение кинетической энергии дождя,

П

Е_л = X [24.73 + 8.94 (lg2.36 J)h] (12.3)

I

на его 30-минутную максимальную интенсивность, где п — число периодов с постоянной интенсивностью дождя; J — интенсив­ность дождя, мм/мин; h — слой осадков за период постоянной ин­тенсивности, мм (Динамическая геоморфология, 1992).

Карта, построенная по значению эрозионного индекса, изменя­ющегося в течение года, указывает на регионы, наиболее подвер­женные почвенной эрозии. Среди них отметим Кавказ, Предкав­казье и Прикаспийскую низменность. Специальные опыты с ис­кусственным дождеванием бурых лесных почв Черноморского побережья Кавказа показывают большую роль дождевых капель в разрушении почвенных агрегатов и увеличении транспортирую­щей способности струйчатых потоков в 10—25 раз. При наличии естественной растительности дождевые капли не достигают почвы, что существенно уменьшает их эрозионное воздействие вплоть до полного его отсутствия при значительных наклонах склоновой по­верхности (более 20°). В связи с этим растительность считается регулятором плоскостного смыва.

Известный исследователь М. Н. Заславский предлагает в качестве основного критерия смытобти почв уменьшение в них запасов гуму­са. Слой, сносимый за год в сухой степи, лесотундре и тундре, при естественной растительности составляет 0.1—0.2 мм. Но известны случаи, когда при наклоне поверхности пашни всего в 1—2° смыв почвы составил 66 мм за 10 лет. Интересен еще один факт; смыв на распаханных склонах повсеместно больше величины денудации, оп­

ределенной по твердому стоку рек. Повсеместно отмечается повы­шенная интенсивность почвенной эрозии (в том числе смыва мел­козема) на освоенных территориях, где происходит распашка зе­мель, выпас скота, вырубка лесов, строительные и горные работы и т. д. Такую эрозию называют ускоренной, или эксцессивной, в от­личие от нормальной (геологической), развивающейся на естествен­ных склонах, покрытых растительностью. Наибольшей устойчи­востью к эрозии отличаются черноземные почвы (особенно их верхний гумусовый горизонт), а наименьшей — каштановые и подзолистые.

Существенное влияние на эрозию почв и на плоскостной смыв в целом оказывает состав почв и грунтов. Струйчатый поток легко смывает пылеватые частицы, перекатывает песчаные зерна и с тру­дом перемещает гравий и щебень. Глинистая фракция в пептизи- рованном состоянии тоже легко переносится потоком, но в почвах глинистые частицы образуют агрегаты и могут выполнять роль це­мента (клея) для скрепления более крупных обломков. Исследова­ния показывают, что на разрушение подобных образований требу­ется больше времени, чем длится дождь определенной интенсив­ности, в связи с чем глинистые почвы и породы оказываются более трудноразмываемыми в процессе плоскостной эрозии.

Борьба со склоновым смывом является весьма сложной и тру­доемкой и малоэффективной. Главной причиной этого является большая распространенность плоскостного смыва по площади, на­ходящейся под воздействием атмосферных осадков, а иногда и сильных ветров. При этом масштабы выполняемых защитных ме­роприятий незначительны, а ущерб, наносимый земельному фонду многих стран, огромен. Защита таких больших пространств инже­нерными сооружениями, а также управление процессом размыва и переноса разрушенных пород и почв практически невозможны. Покрытия, изоляции, отвод и регуляция поверхностных вод и дру­гие подобные мероприятия можно применять только локально для охраны небольших по площади естественных склонов и искусст­венных откосов, на которых необходимо обеспечить безопасность жизнедеятельности. Для больших территорий должен быть принят единственно правильный принципиальный подход — предупреж­дение и ограничение размыва. Необходимо поддерживать естест­венный или создавать искусственный растительный (травянистый, кустарниковый или древесный) покров, ограничивать площади ис­кусственных обнажений, регулировать поверхностный сток и со­блюдать соответствующие нормы землепользования.

ОВРАГООБРАЗОВАНИЕ

Образующиеся под воздействием дождевых струек бороздки, увеличиваясь в размерах, становятся руслами временных водото­ков и через некоторое время превращаются в промоины треуголь­ного и трапециевидного сечения с глубиной 15—20 см, а в более

слабых породах — до 30—50 см. Такие промоины уже начинают собирать воды отдельных струйчатых потоков и формировать более мощные временные ручейки, которые не только смывают самые слабые выветрелые породы, но и размывают подстилающие их более плотные разновидности песчано-глинистых и слабосце- ментированных осадочных пород. Эта настоящая разрушительная, эрозионная линейная работа ручейка считается началом процесса формирования новых, более крупных,-эрозионных форм — овра­гов и называется оврагообразованием. В своем развитии овраги проявляют одну важную специфическую особенность: зарождаясь на склонах, они постепенно «пятятся» и могут выйти на водораз­дельное пространство, расчленив его, и уничтожить при этом зе­мельные площади и леса, создать угрозу для устойчивости зданий и сооружений и усложнить инженерно-геологические условия ос­воения новых территорий.

Овраги имеют большое распространение и давно являются объ­ектом исследования геологов, географов и строителей. Так, напри­мер, еще в 1902 году на землях Саратовской губернии было заре­гистрировано 13 540 действующих оврагов общей площадью около 55 тыс. га. В 1910 году в Воронежской губернии было 7900 дейст­вующих оврагов. В некоторых районах Центральной черноземной области по самым скромным подсчетам бросовые земли, занятые действующими оврагами, составляют более 25 % общей площади их земель (Ломтадзе, 1977). Оврагами поражены также земли Кур­ской, Орловской, Липецкой, Тамбовской, Белгородской областей, Северного Кавказа, Заволжья, Западной и Восточной Сибири, По своему геологическому строению эти регионы, как известно, ха­рактеризуются распространением лёссовых пород разного генези­са среди четвертичных отложений. Отметим, что те районы Евро­пы, Азии и Америки, где имеют распространение лёссовые поро­ды, также существенно поражены оврагами.

Таким образом, оврагом называют эрозионную форму рельефа, вытянутую в длину от десятков метров до десятков километров, имеющую глубину от 1—2 до 20—30 м и более и простирающуюся на склоновых и водораздельных пространствах. Образование овра­гов проходит закономерно через несколько стадий. В инженерной геологии была принята схема С. С. Соболева, предложенная им в 1947 году (Попов, 1951; Коломенский, 1964; Ломтадзе, 1977; Зо­лотарев, 1983). В соответствии с этой схемой образование оврага происходит в четыре стадии, в результате которых вырабатывается его продольный профиль (рис. 12.3).

Первая стадий оврагообразования — это формирование про­моины глубиной от 30—50 см до 1.0—1.5 м. Поперечный профиль промоины меняется от треугольного до трапециевидного.

Вторая стадия — врезание висячего растущего оврага своей вершиной. Оно начинается с очередного обрыва, высота которого составляет в среднем 2—10 м, а в лёссах может достигать 12— 15 м. Рост оврага идет снизу вверх, т. е. против течения водного

£ Рис. 12.4. Типы овражно-балочных

систем (по С. С. Соболеву).

а— слабоветвящиеся; б— сильиоветвя- щиеся.

Выделение перечисленных выше четырех стадий процесса овра- гообразования является довольно схематичным и зависит от геолого- геоморфологических и климати- ческих условий и влияния различ- ных природных и техногенных факторов. Так, во время ливневых дождей и паводков в оврагах зна- чительно увеличивается водная масса, что приводит к резкому росту интенсивности эрозионного про- цесса и большим разрушениям зе- мель, жилых кварталов, дорожных трасс и т. д. При этом могут изме-

ниться направления роста оврагов, появиться новые рытвины и бо- розды, что в зависимости от местных природных условий и видов че- ловеческой деятельности приводит в конечном итоге к формирова- нию различных типов овражно-балочных систем (рис. 12.4), на склонах которых создаются условия для возникновения крупных оползней, новых эрозионных форм и т. п.

Условия и факторы оврагообразования принципиально те же, что и обусловливают эрозионный процесс в целом. Энергия (сила)

водного потока ^ Э_ап = —■ j определяется климатическими (т) и

геоморфологическими (V = t(i)) условиями, а последние во многом зависят от геологической обстановки (литологии пород, условий их залегания, степени выветрелости, режима подземных вод, нео- тектонических особенностей региона и др.). Эта обстановка опре­деляет интенсивность оврагообразования, морфологические черты оврагов, их распространение и густоту (степень пораженности). Для европейской части бывшего СССР в зависимости от климати­ческих условий С. С. Соболев выделяет: северо-западную часть среднерусской возвышенности (Курская, Орловская, Тульская об­ласти и юг Московской области), на территории которой интен­сивность снеготаяния достигает 6 мм/ч и эрозия связана преиму­щественно с талыми водами; территорию к юго-западу от этого района, южнее линии Минск—Харьков—Ростов, с преобладанием ливневой эрозии. Климатические условия во многом определяют характер растительного покрова (древесный, кустарниковый или травянистый), препятствующего эрозии. Среди природных факто­ров выделим такие, которые активизируют оврагообразование. Это понижение местного базиса эрозии при спаде уровня воды в реках

и озерах, изменение режима поверхностного стока, обеднение рас­тительного покрова на склонах и др.

Особую роль в развитии оврагообразования играет разнообразная деятельность человека. Оврагами поражены наиболее густонаселен­ные территории. С одной стороны, это обусловлено тем обстоятель­ством, что эти территории по сочетанию своих природных условий (геологических, геоморфологических и климатических) являются весьма благоприятными для жизнедеятельности человеческого об­щества и одновременно для развития эрозионных процессов, в том числе оврагообразования. С другой стороны, человеческая деятель­ность является мощным фактором роста интенсивности эрозионно­го разрушения этих территорий. Эта деятельность связана прежде всего с нарушением режима поверхностного и подземного стока при строительстве гидротехнических сооружений различного назначе­ния, с разрушением защитного растительного покрова при вырубке лесов и кустарников в процессе сельскохозяйственного освоения зе­мель, с формированием искусственного рельефа местности при стро­ительстве дорог, каналов, горнодобывающих предприятий и т. п. Сле­дует отметить, что перечисленные факторы взаимосвязаны и взаимо­обусловлены, а их воздействие суммируется, доводя интенсивность оврагообразования до угрожающих масштабов со значительными по­следствиями — разрушением и заилением жилых районов, железных и автомобильных дорог, мостовых переходов, каналов, ирригацион­ных сооружений и т. д. Наблюдения показывают, что последствия ов­рагообразования, вызванного деятельностью человека, являются гораз­до более масштабными и значительными, в том числе и по причинен­ному материальному ущербу, чем те, которые вызываются только природными факторами (исключая, конечно, природные бедствия и катастрофы). Однако ниже мы покажем, что деятельность человека может приносить не только отрицательные результаты.

Оценка овражно-балочной интенсивности и пораженности производится при помощи нескольких количественных показате­лей. Рассмотрим их подробно.

1. Степень эрозионной расчлененности представляет собой от­ношение приращения общего объема растущих оврагов за год, де­сятилетие или столетие к площади их водосборов, определяемых повторными аэро- или фототеодолитными съемками. Для обнажен­ных склонов горного Крыма крутизной 16—17°, сложенных терри- гспным флишем, этот показатель составил, по подсчетам В. С. Кру- подерова, 3000—5000 м