Коэффициент овражно-балочного расчленения К_о6 (по С. С. Со­болеву), представляющий собой отношение суммарной длины овра­гов, балок и Мелких речных долин к общей площади исследуемой территории:

п

X/,

*06 = -^, (12.4)

Для накопления необходимой информации об интенсивности эрозионного процесса, размерах эрозионных форм, масштабах уг­рожаемое™ оврагообразования и нанесенного им ущерба для зе­мельного фонда района, области или региона необходимо прово­дить в рамках литомониторинга (локального или регионального) целенаправленные наблюдения, накопление и реализацию полу­ченной информации в специально создаваемых геодинамических стационарах.

Противоовражные мероприятия делятся на две главные груп­пы: предупреждающие возникновение и развитие эрозионного процесса и рекультивационные. В первую группу входят агротех­нические, лесомелиоративные и гидротехнические мероприятия, которые создают наиболее эффективную защиту при своевремен­ном их осуществлении. Лесомелиоративные работы, проводимые на склонах, сводятся к лесонасаждениям и травопосевам, регули­рующим поверхностный сток и укрепляющим поверхностные го­ризонты почв и горных пород. Эти же работы следует проводить и с целью сохранения естественного растительного покрова (лесов, кустарников, многолетних трав).

Гидротехнические водоулавливающие, водоудерживающие и водорегулирующие сооружения строятся с целью перехвата и от­вода поверхностного стока или с целью его спуска в зону аэрации. К таким сооружениям относятся канавы, лотки, дамбы, валы, пло­тины. Принципиальная схема расположения предупреждающих мероприятий показана на рис. 12.5. Подобную схему можно ис­пользовать с успехом только на первой стадии оврагообразования.

Вторая группа мероприятий направлена на борьбу с растущи­ми оврагами или на восстановление (рекультивацию) пораженной территории с целью ее дальнейшего освоения. К ним относятся: засыпка эрозионных форм с последующей планировкой террито­рии, мощение их камнем, укрепление их бетонными плитами или асфальтом. Иногда приходится укреплять грунтовые массивы ме­тодами технической мелиорации, строить облицовочные и под­порные стенки для укрепления склонов оврагов и балок. Однако эффект от мероприятий второй группы будет обеспечен только в том случае, если на рекультивированных территориях немедленно приступят к разработке предупреждающих мер.

На территориях, подверженных интенсивной эрозии, необхо­димо соблюдать нормы и правила землепользования, агротехники,

строительства различных сооружений, предусматривающие пред­упреждение возникновения и развития оврагов, и осуществлять за­щиту построенных сооружений от неожиданных явлений, подго­товленных процессом оврагообразования. Можно привести много примеров разрушения и заиления авто- и железнодорожных магис­тралей при росте оврагов после ливневых дождей и таяния снегов. В свете охраны природных ресурсов остро встает проблема посте­пенного, безопасного, уничтожения эрозией почв, лесов, сельхоз­угодий, парков, заповедников и прочих объектов жизнедеятель­ности современного общества в условиях интенсивного освоения территорий.

ЭРОЗИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕК

Временные и постоянные водотоки, сбегающие по дну оврагов и балок, собираются в ручьи, а те в свою очередь в небольшие речки, впадающие в более крупные реки (Волгу, Днепр, Дунай, Енисей, Амур и др.), которые уже несут свои воды к озерам, морям или океанам. Все реки текут по своим руслам и вызывают ряд русловых процессов, в результате которых формируются реч­ные долины. Основными русловыми процессами являются: размыв (подмыв) и разрушение горных пород, перенос и отложение про­дуктов разрушения (речного аллювия). Эти процессы следует рас­сматривать не только как формирующие рельеф больших террито­рий, но и как подготовителей важнейших склоновых гравитацион­ных процессов и явлений — осыпей, обвалов и оползней.

Реки, производя на своем пути огромную геологическую рабо­ту, являются объектом исследования большого круга специалистов (географов, геологов, гидрологов, строителей, энергетиков и мно­гих других). Однако необходимо отметить, что наиболее разносто­ронним и комплексным является инженерно-геологическое изуче­ние рек, которое включает большой круг вопросов, начиная от специфики речной эрозии и заканчивая свойствами аллювиальных отложений и морфологией речных долин, и определяет условия строительства крупных гидротехнических и транспортных соору­жений и городских агломераций. Общеизвестно, что основная жизнедеятельность человека сосредоточена вдоль речных долин.

Эрозионная разрушительная деятельность рек осуществляется преимущественно динамическим воздействием воды на горные по­роды, слагающие дно и берега реки, вызывая соответственно дон­ную и боковую эрозию. В скальных породах к этому воздействию прибавляется коррозия, т. е. истирание пород обломками, перено­симыми речными водами. Когда речной поток встречает на своем пути воднорастворимые породы (например, карбонатные) или по­роды, содержащие воднорастворимые соединения (сульфаты, гали- ды), то он производит растворяющее воздействие — коррозию, Можно считать, что и в этом случае кинетическая энергия водного

потока, выполняющего эрозионную работу, составляет Р_в =

которая в среднем является значительной величиной вследствие большой водной массы т, варьирующей, однако, в широких пре­делах для разных рек и в пределах одной реки в разных ее тече­ниях. Что же касается скорости течения воды в реках, то она также весьма непостоянна, зависит главным образом от уклона дна русла и меняется обратно пропорционально изменению водной массы. Так, для горных рек характерны более высокие скорости течения, чем для равнинных, но меньшие количества водной массы. Для одной и той же реки можно отметить следующую за­кономерность: сверху вниз по течению увеличивается водная масса реки и уменьшается скорость ее течения, так как русло ста­новится более пологим к устью. Эти особенности определяют за­кономерности эрозионной работы. Для горных рек с большей ско­ростью течения характерна глубинная (донная) эрозия и перенос крупнообломочного материала, для медленно текущих равнинных рек — боковая эрозия и перенос мелкообломочного материала (песка, глины). По течению одной реки можно проследить ту же закономерность: в верхнем течении, где скорость выше, преобла­дает донная эрозия и перенос более крупнозернистого материала, в нижнем — боковая эрозия и перенос мелкозернистого материа­ла. Необходимо отметить также, что кроме скорости и массы вод­ного потока на эрозионную работу реки оказывают влияние также геологическое строение долины, неотектоническая обстановка, гидрологический режим рек по сезонам, наконец, человеческая де­ятельность, которые значительно усложняют приведенные выше закономерности. К примеру, при подъеме или опускании террито­рии на определенном участке реки изменяется уклон ее русла и соответственно меняется скорость течения воды. Или строится плотина, которая изменяет режим речного потока, влияя как на водную массу, так и на скорость течения. Если река на своем пути пересекает устойчивые, трудноразмываемые породы, то меняется форма речной долины, ее ширина и крутизна берегов.

Таким образом, процесс формирования продольного и попе­речного профилей реки имеет следующие характерные особен­ности: а) в верхнем течении реки происходит так называемая ре­грессивная эрозия, в результате которой долина углубляется и поперечный профиль имеет V-образную форму; б) в нижнем те­чении врезание (углубление) долины ограничено положением ба­зиса эрозии, ниже которого размыв невозможен, поэтому в при- \стьевом участке преобладает боковая эрозия, в результате кото­рой русло выполаживается, скорость течения уменьшается, река начинает меандрировать, продолжая подмывать берега речных склонов, и поперечный профиль приобретает U-образную форму. На рис. 12.6 упрощенно показаны продольный и поперечные профили реки в верхнем, среднем и нижнем ее течениях. Про­дольный профиль является профилем равновесия и представляет

238

Рис. 12.7. Типы строения речных долин (по Д. С. Соколову и Р. Р. Тизделю).

Условия и факторы эрозионной деятельности рек. Все, что происходит в долинах больших и малых рек, отражается на их морфологии, на количестве и характере речных террас, на крутиз­не берегов, на чередовании разрушения пород и их аккумуляции и т. п. Но как мы убедились, для каждой реки и даже для разных участков одной и той же реки результаты работы речных вод ока­зываются неодинаковыми, что традиционно обусловлено различ­ными природными условиями, в которых развивается эрозионная деятельность рек, а также природными и техногенными фактора­ми, воздействие которых во многом определяет конечный резуль­тат. Обратимся к рис. 12.2, на котором изображена модель взаимо­действия геологической среды с поверхностными водотоками. Принципиально ничего не изменилось. Геологическая среда, в пределах которой формируется долина реки, участвует во взаимо­действии всеми своими компонентами — орогидрографией, геоло­гическим строением и тектонической обстановкой, в том числе новейшими движениями, подземной гидросферой и геодинами- ческими процессами. Все эти компоненты в сумме определяют степень устойчивости среды к речной эрозии, а также ее неодно­родность (изменчивость) в пространстве и во времени. Главное ус­ловие — сопротивляемость пород размыву — определяется соста­вом, состоянием и свойствами горных пород.

Основной фактор эрозионного процесса — это речной водный поток, обладающий определенной силой, которая зависит от гид­рологического режима реки и ее продольного профиля. Условия питания реки определяются уравнением водного баланса речного бассейна:

x + q = y + z±u, (12.7)

где х - атмосферные осадки; q - конденсация; у - речной сток; г - суммарное испарение с суши и водоемов; и - баланс влаги в горных породах бассейна. Практически это уравнение работает в виде х = у + z- Для разных районов питание рек может происхо­дить в основном за счет таяния снегов или ледника и дождей. По­этому принято различать реки с преобладанием снегового, ледни­кового и дождевого питания. Большое распространение имеют также реки с подземным (грунтовым) питанием. Как будет показа­но далее, реки ледникового питания представляют опасность для развития селевых потоков, так как в периоды резкого потепления возникают паводки с расходами воды, в десятки и сотни раз пре­вышающими меженные расходы этих рек. На рис. 12.9 показаны характерные графики формирования расходов воды для рек разно­го типа питания, которые отчетливо показывают изменение их ре­жимов в течение года. Периоды половодий и паводков, которые приурочены к весенним и осенним месяцам, характеризуются подъ­емом уровня воды в реках от 2—3 до 8—10 м и более по сравне­нию с зимними и летними месяцами. Г. П. Горшков и А. Ф. Яку- шова (Горшков, 1982) приводят данные подъема уровня рек Волги

Рис. 12.9. Колебания расходов воды в реках (в долях среднего) с различ­ным питанием (по В. Д. Ломтадзе, 1977).

а — снеговым (Волга у г. Калинина, 1936 г.); б — дождевым (Зея у г. Зея, 1936 г.); в —ледниковым (Тереку сел. Казбеги, 1937 г.).

и Н. Тунгуски от 17 до 32 м. Интенсивность речной эрозии резко возрастает в периоды половодий и паводков, так как при этом возрастают и водная масса, и скорость ее перемещения. В табл. 12.4 приведены характерные данные об изменении скоростей течения некоторых рек. Так, максимальные скорости Волги до строитель­ства каскада ГЭС достигали 3—3.5 м/с, что приводило к увеличе­нию суммарного размыва до 60—80 млн м³ на участке от Н. Нов­города до Астрахани (Золотарев, 1983).

Главный фактор речной эрозии — кинетическая энергия вод­ного потока — формируется и изменяется также под влиянием че­ловеческой деятельности. В отличие от склоновой эрозии и овра- гообразования человек целенаправленно проводит ряд ограниче­ний при освоении территорий речных долин. В гидротехническом строительстве на реках, например, создание водохранилищ пере­водит большие протяженности берегов верхнего бьефа из объекта эрозионных изменений в объект абразионного процесса, а в ниж­нем бьефе происходит только глубинная русловая эрозия. Гидро­мелиоративные системы часто осушают болота и горизонты под­земных вод, что в конечном итоге уменьшает водную массу, посту­пающую в реку. При строительстве мостовых переходов через реки создаются защитные мероприятия, которые выводят отдель­ные участки из-под воздействия речного потока. Аналогичная ситуация, но в больших масштабах, складывается в населенных пунктах, в пределах которых реки «одеваются» в камень в виде набережных, пристаней, подпорных стенок и других защитных со­оружений. Под защитой оказываются и эрозионные речные скло­ны, вдоль которых проходят авто- и железнодорожные магистрали и другие путепроводы (газо-, нефте- и водопроводы). На многих реках ограничение их эрозионного воздействия связано со строи­тельством защитных сооружений от гравитационных процессов и явлений на склонах.

Однако инженерная и хозяйственная деятельность человека чаще непреднамеренно увеличивает воздействие главного фактора эрозионного воздействия. В технической литературе приводится много примеров подобного рода. Упомянем некоторые из них.

Таблица 12.4

Средние скорости течения рек, по г. П. Горшкову и л. Ф. Якушевой (Горшков, 1982)

Формирование речного стока происходит на больших территори­ях, так называемых водосборных областях. Количество воды, по­падающее в реку на отдельных ее участках, в первую очередь за­висит от климатических условий, однако гидрогеологи знают еще со времен Марка Поллио (I век до н. э.), что и подземные водонос­ные горизонты тоже питаются атмосферными осадками при их ин­фильтрации (Мариотт, XVIII век), а дальнейшее распределение этих осадков зависит от поверхностного и подземного стоков. Все помнят уравнение круговорота воды в природе из курса общей гидрогеологии:

Q₃ = Q„ + Q_m + Q_m + б„.

где Q_a — атмосферные осадки в виде дождя и снега; Q_n — воды, стекающие по земной поверхности в водоемы (поверхностный сток); Q_m — воды, инфильтрующиеся в зону аэрации (подземный сток); £?пв — атмосферные осадки, попадающие непосредственно в открытые водоемы (реки, озера, моря, океаны); <2_И — воды, ис­паряющиеся с поверхности суши и водоемов.

Современная деятельность человека может способствовать уве­личению количества воды, попадающей в реку за счет: а) возра­стания поверхностного стока с закрытых для инфильтрации пло­щадей; б) увеличения количества и скорости поступления поверх­ностного стока с площадей нарушенного растительного покрова; в) дополнительного питания реки промышленными и хозяйствен­ными сроками, а также стоками с ирригационных и мелиора­тивных земельных площадей и шахтными водами при осушении разрабатываемых месторождений полезных ископаемых; г) пере­текания вод из соседних долин, где созданы искусственные водо­хранилища и построены запруды; д) переброски вод из соседних водоемов каналами (например, Волго-Дон) и туннелями (гидротех­ническими, деривационными и др.). Увеличение скорости речного потока по техногенным причинам может быть вызвано увеличени­ем крутизны речного русла при разработке запасов строительных материалов (аллювия и коренных пород) гидроспособом или от­крытыми выработками в летний период.

Примеры увеличения интенсивности эрозионной деятельности речных вод в результате вмешательства человека (случайного или преднамеренного), что во многих случаях приводило к аварий­ным ситуациям и даже к катастрофическим последствиям, име­ются для всех стран, где техногенез стремительно развивается. Один из «невинных» примеров, указывающий на способность природной среды к саморегуляции, относится к Северной Каро­лине (США), где, разрабатывая золотоносные россыпи гидравли­ческим способом, сбрасывали отработанную горную массу в р. Юту. Это привело к подъему дна реки на 6 м, к изменению скорости ее течения, к созданию некоторого локального базиса эрозии, к уменьшению интенсивности эрозионного процесса. Но

когда разработки закончились и прекратился сброс пустых пород, река выработала продольный профиль, существовавший до начала разработок россыпи. Известен еще один аналогичный случай разработки гидравлическим способом месторождения олова на р. Луи в штате Небраска, где за 10 лет дно реки подня­лось на 6.4 м. Далее произошел интенсивный размыв на участке длиной в 2.5 км в результате соединения двух самостоятельных рукавов, и в конечном итоге произошло обрушение моста (Коло­менский, 1964).

Все рассмотренные выше специфические черты рельефных форм речных долин (русло, террасы, берега, острова, рукава, по­роги и др.), а также их геологическое строение, характеризующе­еся большим разнообразием коренных пород и аллювиальных от­ложений, тектонических и неотектонических особенностей, явля­ются объектом инженерно-геологических исследований с целью оценки условий строительства различных зданий и сооружений, водопроницаемости пород в основании и в обход плотин и ГЭС и т. д., а также прогноза развития гравитационных процессов и яв­лений на склонах речных долин.

Эрозионные процессы речных вод, таким образом, не только формируют сложные природные сооружения, какими являются речные долины, но и подготавливают геологическую среду к новым, не менее сложным процессам и явлениям (оползням, обвалам, кар­сту, суффозии, фильтрационным деформациям, потерям воды из водохранилищ и др.).

Противоэрозионная защита берегов рек может рассматривать­ся только на локальном уровне при угрожаемости (риске) наруше­ния устойчивости сооружений или условий их нормального функ­ционирования. Сложную и многофакторную геологическую работу рек (а их в бывшем СССР около 3 млн) нельзя контролировать, а управлять ею или направлять тем более. Как уже отмечалось выше, Инженерная защита существует и развивается, но не ради самого ограничения эрозионной деятельности рек, а в связи с не­обходимостью обеспечения безопасности жизнедеятельности в речных долинах и придолинных полосах.

Защитные мероприятия проводятся в двух направлениях: про­филактическое и защита инженерными сооружениями. Первое на­правление сводится к агротехническим и лесотехническим пред­упреждающим мерам и редко к строительству укрепительных или защищающих от воздействия водного потока сооружений (камен­ные пригрузки, регуляционные канавы и др.). Капитальные соору­жения строятся для борьбы с гравитационными явлениями на бе­реговых склонах (они будут подробно рассмотрены в главе 14) и на участках, угрожающих устойчивости зданий и сооружений. Эти сооружения чаще всего представлены подпорными стенками, бан­кетами, пригрузочными призмами. Капитальные сооружения от наводнений (плотины и дамбы) не следует рассматривать как про- тивоэрозионные.

Глава 13

которых складируются отходы переработки рудных полезных иско­паемых в виде так называемых хвостохранилищ. Эти сооружения относятся к классу промышленных гидротехнических; емкости для хвостов, поступающих в виде тяжелой пульпы, отгораживаются зем­ляными плотинами, перекрывающими ущелья и имеющими высоту в несколько десятков метров. Аварийные ситуации наступают в ре­зультате прорыва плотин под давлением пульпы при сильных дож­дях, при переполнении хвостохранилищ или при потере устой­чивости плотины по другим причинам (например, землетрясение, динамические нагрузки работающего горнотранспортного оборудо­вания и др.). В середине 60-х годов произошло несколько катастроф на рудниках СССР, Чехословакии и Болгарии, которые не получили особой огласки. Так, в Болгарии техногенный селевой поток обра­зовался 1 мая 1965 года, в первой половине дня, когда некоторые жители областного г. Враца отправились на отдых в горный массив Балканы. Те, кто оказался в это время недалеко от ущелья, где было построено и уже эксплуатировалось хвостохранилище горнорудно­го предприятия, и не успел быстро среагировать на идущий им на­встречу селевой поток, погибли. По официальным данным всего по­гибло более 100 человек. Поток дошел до долины ближайшей речки и по ней сошел в Дунай, оставив за собой часть твердого стока (хвос­ты обогатительной фабрики и захваченный по пути твердый камен­ный материал и остатки разрушенных строений).

Обстановка, в которой формируется селевой поток, подготав­ливается в геологической среде в течение продолжительного вре­мени. Очевидно, что мощный водный поток даже при большой скорости не в состоянии сформировать сель без длительного на­копления рыхлого обломочного материала в долине водотока. Такой поток вызовет наводнение, вынос большого количества мелкозема и заиление, но это будет эрозионный поток, который часто случается во время половодья и паводка на многих реках.

Формирование же селевых потоков требует выполнения двух главных условий:

1. Накопления большого количества водной массы за короткий период времени у истоков временного или постоянного горного водо­тока, способного перемещаться с большой скоростью. Так, в 1973 году при прорыве из моренного озера в р. Малая Алматинка поступило 180 тыс. м³ воды с расходом от 200—250 м³/с в начале до 5200 м³/с в конце при стационарном расходе до прорыва порядка 2 м³/с. Скорость потока на разных участках реки составила от 4 до 11 м/с (габл. 13.1). Следовательно, максимальное значение кинетической энергии водного потока составило порядка Р_я = (5200 • Ю²)/2 = = 2,6 • 10⁵ Н/м². Скорость как функция уклона водотока зависит от речьефа местности (продольного профиля реки, т. е. от одного из компонентов геологической среды). Скорость селевого потока V определяется по формулам расчета речного стока:

V=cVtf^, (13.1)

где С = ^-R⁶; R — гидравлический радиус (мощность) потока; i —

наклон русла; п — коэффициент шероховатости русла.

Экспериментальные исследования искусственных потоков дали возможность определить их скорости по следующим эмпиричес­ким формулам (Шейдеггер, 1981):

i_

У = 3.15 h⁶ ■ d³ (для водокаменного потока),

Обломочные накопления в долине водотока

Е

о

Я

О

о

*э

tr

Временный водный поток большой силы

о

00

дождей, быстрого таяния снега или ледников, формирования гор­ных озер. На формирование поверхностного стока определенное влияние оказывает также геологическое строение и почвенный покров. В некоторых случаях большое количество дождевых и талых вод просачивается в зону аэрации, что приводит к сущест­венному уменьшению водной массы, попадающей в основной во­доток. Это прежде всеГо относится к закарстованным и обнажен­ным склоновым участкам, а также к территориям, покрытым водо­проницаемыми отложениями большой мощности при глубоком залегании вод.

Вторая стадия — это стадия формирования больших скорос­тей, зависящая от геоморфологических условий, т. е. от наклона водосборных участков и русла основного водотока (рек, ручьев, ущелий, оврагов). Отсутствие одной из этих стадий делает невоз­можным появление паводка большой угрожаемости, т. е. с боль­шой водной массой и большой скоростью ее течения. Где эти ус­ловия являются наиболее благоприятными, можно понять из карты распространения селей и крупных наводнений (рис. 13.1).

Сила селевого потока и его последствия в конечном итоге оп­ределяются траекторией движения паводкового потока, т. е. мор­фологией и геологическим строением долины основного водотока, а также степенью ее освоенности человеком. Исследования, про­водимые в селеопасных районах, показывают, что долину селе- опасных рек можно разделить на три части (Ломтадзе, 1977). Пер­вая часть^— это верховья реки с крутыми склонами (от 30—40 до 50—60°) с активными гравитационными явлениями (осыпями, об­лавами, оползнями), с частыми эрозионными формами (промоина­ми, оврагами, логами) и с угламй продольного профиля русла от 30 до 50°. Эта часть реки (основного водотока) является главной областью водосборного бассейна, и она может занимать террито­рию от нескольких до многих десятков квадратных километров. Именно здесь происходит формирование селевого потока. Напри­мер, реки северного склона Главного Кавказского хребта имеют средние годовые модули стока в верховьях до 50—70 л/с с площа­ди в 1 км², тогда как в предгорьях они составляют всего 5 л/с Этим мы еще раз подчеркиваем существенное влияние рельефа на модули поверхностного стока.

В разных районах главная водосборная область долины горной реки залегает на разных абсолютных и относительных отметках Наиболее опасными с точки зрения селеобразования являются участки выше абсолютной отметки 2500 м, т. е. выше отметки рас­пространения лесов. Здесь преобладает физическое (морозное) выветривание, приводящее к образованию коллювиальных накоп­лений обломочного материала. Водные массы здесь формируются в больших количествах за счет дождей и вод тающих снежников и ледников, а также при прорывах ледниковых озер.

На отметках от 1000 до 1500 м (среднегорные бассейны) вод­ные паводки образуются за счет ливневых дождей, а твердый ма­

основного водотока; 5) прогноз механизма движения селевого по­тока в зоне транзита и его геомеханической модели.

К этим прогнозам следует также добавить прогноз угрожаемос­ти опасности селевого потока, его возможных последствий, ожи­даемого ущерба, работы существующих защитных мероприятий, строительства новых противоселевых защит.

Дня получения количественных критериев проводимых прогно­зов предложены некоторые математические расчетные модели. Среди них выделим:

1. Расчет скоростей и расходов грязевых и грязекаменных селей, который основывается на известном уравнении Бингама— Шведова

предельной скорости, при которой нанос не увлекается водным потоком

V„p = з 4/V(p_t-Th 1 - О.оГр)'. (13.8)

В формулах (13.5)—(13.8) использованы следующие обозначе­ния: р_т — плотность твердого материала; Р — содержание твердо­го материала, вес. %; £?„ — расход воды в селевом потоке; d — диаметр твердых частиц, м.

2. Расчет характеристик паводков прорыва:

Qc = <2_В т-V, S₀ = 0.655 • ц⁰-⁷ (°-²⁵ (по ВСН-03-76), (13.9)

1 s_a

где g_c — ориентировочный расход селя при прорывах запруд; Q_B — максимальный расход водного потока; S₀ — расчетная объ­емная концентрация; i — уклон русла; ц — коэффициент эроди- руемости территории, ц = 0.02 для прочных пород, 0.3 для ополз­невых берегов и 0.6—0.7 для легкоразмываемых грунтов;

V, = ^лfgh (2 - -j-r) (по И. И. Херхеулидзе), (13.10)

_е1/кх

где V_t — скорость движения волны паводка на любом расстоянии I от створа прорыва; h — наибольшая высота волны у створа про­рыва; е — основание натурального логарифма; х = I/ h; к = 0.002.

Гидравлические характеристики водных прорывов определяют­ся по наблюдениям на гидропостах, по стокам атмосферных осад­ков и сохранившимся следам прошедших паводков.

Прогнозы селей могут быть региональными и локальными. Пер­вые проводятся для одного крупного региона или для нескольких водосборных бассейнов горного хребта или предгорной области с одинаковыми стратиграфо-литологическими комплексами горных пород. Для них можно использовать метод аналогии с уже произо­шедшими селевыми явлениями или данные метеорологических на­блюдений. Локальные прогнозы являются более конкретными и детальными и выполняются при инженерно-геологических изыска­ниях на малых реках или на строительных объектах с целью оп­ределения угрожаемое™ для ответственных сооружений и насе­ленных пунктов и принятия мер по их защите. При этом необхо­димо иметь в виду основное положение о том, что превращение паводка, прогнозируемого по гидрометеорологическим данным, в селевой поток возможно при его воздействии на долину основного водотока, заранее подготовленную природными и техногенными процессами. Состав, состояние, свойства, мощности и распростра­нение рыхлых обломочных отложений различного происхождения могуг быть оценены и прогнозированы инженерно-геологически-

ми методами и средствами гораздо более надежно, чем это может быть осуществлено для возникновения самого паводка. Это связа­но главным образом не с набором применяемых методов и аппара­туры и не с уровнем подготовки специалистов, а с разной сте­пенью сложности и доступности объектов исследований.

Примером полноценного и надежного изучения селеопасного района может служить инженерно-геологическая карта селенос- ной долины реки в Таджикистане, приведенная на рис. 13.3 (Золо­тарев, 1983).

Защита территорий и сооружений от селевых потоков явля­ется очень сложной и дорогостоящей задачей. Для явлений с опас­ными, часто катастрофическими последствиями необходимо пре­жде всего точно ранжировать защитные мероприятия по времени и месторасположению. Исходя из известных случаев селевых явле­ний, из закономерностей их формирования и развития, а также из роли различных природных и техногенных условий факторов, сле­дует сгруппировать все возможные защитные мероприятия в три категории. 1) предупреждающие возникновение селевого потока;

2. ограничивающие разрушительную работу селя и 3) ликвидирую­щие последствия селевого потока. Мероприятия всех трех катего­рий могут быть обоснованы только на базе работы современного геодинамического мониторинга регионального или локального масштаба. Кроме того, имеет смысл говорить о специальном, се­левом, мониторинге.

Предупреждающая защита от селевых явлений должна быть из­начально направлена на недопущение формирования селевого по­тока, а следовательно, она должна осуществляться на территории основного водосборного бассейна, где возникает водный паводок. По своей структуре такая защита отличается тем, что может вклю­чать разные мероприятия, от профилактических агро- и лесоме­лиоративных до гидротехнических сооружений. Как было уже от­мечено выше, основной водосборный бассейн может находиться на разных абсолютных отметках, поэтому комплекс предупреди­тельных мер может различаться. Высокогорные бассейны, распо­ложенные выше отметки 2500 м, требуют наиболее сложной защи­ты, поскольку они являются труднодоступными районами. Здесь можно применять только сооружения, регулирующие сток поверх­ностных вод, такие как водосборные лотки, барражи, запруды, а также регулярно устраивать заблаговременные спуски существую­щих водоемов (моренных и ледниковых озер). На средне- и низко­горных водосборных бассейнах уже можно применять лесозащиту,

избегая рубки лесов и создавая новые лесопосадки, а также регу­лирование поверхностного стока лотками и запрудами и спуск вод в основной водоток или в соседнюю реку (рис. 13.4). Барражи и запруды уменьшают уклоны временных потоков, тем самым сни­жая их скорость. На этих высотах также возможна регулярная уборка рыхлого материала с берегов и из русел водотоков для уменьшения количества обломочного материала — наполнителя возможного селя. С этой же целью необходимо запретить выпас скота.

Мероприятия, которые ограничивают разрушающее воздейст­вие селевого потока и его последствия, являются дорогостоящими защитными гидротехническими сооружениями, задерживающими поток (главным образом твердый сток) и уменьшающими его ско­рость. Кроме того, здесь также может применяться регулярная уборка накоплений обломочного материала. Гидротехнические барражные сооружения, построенные в долинах селевых рек, вы­полняют одновременно три функции. Они останавливают поток, защищают русло от размыва и уменьшают его уклон, а следова­тельно, и скорость течения селевого потока. Мировую известность получила плотина высотой 100—150 м, построенная в 1973 году на р. Малая Алматинка в урочище Медео, которая остановила мощный селевой поток и спасла г. Алма-Ату от больших разруше-

Глава 14

Рис. 14.1. Типизация откосных сооружений.

a

РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ЗНАЧЕНИЕ ГРАВИТАЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ

20

I

районах их интенсивность очень высока, а в других она низкая или совсем не проявляется.

Актуальность изучения гравитационных явлений с точки зре­ния их распространения в самых разных районах планеты при активном ее освоении человеком не требует особых доказа­тельств. Об этом свидетельствует и большое количество пу­бликующихся во всем мире каждый год монографий и статей. В число ведущих исследователей многофакторных гравитацион­ных процессов на природных склонах'й искусственных откосах входят такие известные специалисты, как Ф. П. Саваренский,

Н. Ф. Погребов, А. П. Павлов, И. В. Попов, И. С. Рогозин, Н. Н. Мас­лов, А. М. Дражников, А. П. Нифонтов, Е. П. Емельянова, Г. И. Тер- Степанян, Г. М. Шахунянц, Г. JI. Фисенко, В. В. Кюнтцель, В. Д. Лом­тадзе, И. О. Тихвинский, А. Л. Рагозин, Г. П. Постоев, А. Я. Будин и многие другие.

Значение гравитационных явлений на склонах и откосах, в осо­бенности оползневых и обвальных, следует оценивать по целому ряду направлений. Во-первых, эти явления участвуют в формиро­вании и изменении рельефа местности, создавая специфические его формы, иногда очень живописные и привлекательные для со­здания зон отдыха. Их закономерности как рельефообразующего фактора изучаются геоморфологами. Во-вторых, гравитационные явления рассматриваются как распределители продуктов выветри­вания (склонового элювия) и как накопители склонового делювия, являющегося объектом исследования геологов и строителей. В- третьих, оползни и обвалы рассматриваются и оцениваются как опасные геологические явления, которые преследуют человека в его деятельности по освоению наземных, подземных и подвод­ных ресурсов планеты. Это направление практически определяет значение гравитационных явлений и особый интерес к их изуче­нию. В отечественной и зарубежной литературе приведено много данных о большом влиянии оползней (подразумевая под этим тер­мином все проявления гравитационных процессов) на поражен- ность земельных территорий и на устойчивость инженерных сооружений. По данным американских исследователей оползни приносят гораздо больший суммарный ущерб, чем извержения вулканов, наводнения, ураганы и, как ни странно, землетрясения (Шустер, Кризек, 1981). Этот кажущийся парадокс можно объяс­нить тремя причинами: а) большим распространением и большей частотой проявления оползней, чем остальных природных бедст­вий; б) значительным участием человека в развитии техногенных и активизации природных оползней, в то время как ураганы, извер­жения вулканов, наводнения и землетрясения, как правило, явля­ются чисто природными явлениями; в) вышеперечисленные природ­ные бедствия активизируют развитие оползней, и их последствия становятся более значительными.

Из табл. 14.1 можно получить некоторое представление о пос­ледствиях оползневых явлений. К сожалению, их оценка не всег­

да проводится, особенно если при этом не было человеческих жертв. Однако во всех документах рабочих комиссий по установ­лению причин оползней отмечаются в качестве последствий: раз­рушения жилых кварталов, авто- и железнодорожных магистра­лей, гидротехнических (плотин, каналов, дамб) и берегоудержива­ющих сооружений, мостов, заводских территорий, земельных и лесных угодий; нарушение условий нормальной эксплуатации раз­ных сооружений и зданий из-за появившихся трещин, заторов, за­пруд и смещений; паника среди населения, пассажиров и обслу­живающего персонала в связи со случившимся и с отсутствием падежных прогнозов об опасности и риске на ближайшее будущее. Несмотря на длительные наблюдения за развитием гравитаци­онных процессов, эффект неожиданности всегда присутствует в какой-то мере (конечно, не в той, как при землетрясениях) и, как правило, нет предварительных оповещений, эвакуаций и заблагов­ременного прекращения рабочего процесса.

Приведем некоторые данные о финансовых затратах на проти­вооползневые мероприятия. Только на поддержку противоополз­невых сооружений на федеральных автодорогах США в 1973 году было израсходовано 45—50 млн дол., а в одной только Калифор­нии ежегодные расходы на борьбу с оползневыми явлениями в на­стоящее время составляют 300 млн дол. Борьба с оползневыми и обвальными явлениями (их предупреждение и ликвидация послед­ствий) на железных дорогах стран СНГ ежегодно требует много­миллионных затрат. На многих автодорогах, особенно в горных районах, приходится содержать специальные дорожные службы по предупреждению оползневых явлений, поддержанию и ремонту противооползневых сооружений и для уборки оползневых масс с полотна дороги. Для некоторых районных дорожных служб эта статья расходов более чем на порядок превышает сумму на под­держание автомагистралей в равнинной местности в расчете на 1 км их протяженности. Проблемы угрожаемости, риска и без­опасности движения на оползневых участках дорог постоянно на­ходятся в центре внимания не только специалистов по эксплуата­ции авто- и железнодорожных магистралей, но и водителей, маши­нистов и пассажиров. Необходимо отметить, что в новых условиях собственности на землю, промышленное производство и транс­порт экономическая оценка последствий оползней и обвалов может существенно помочь решению актуальных задач по предуп­реждению гравитационных явлений.

Гибель людей в результате оползневых и обвальных явлений происходит в особо опасных случаях быстрого развития процесса разрушения горных пород, подготовленного предыдущими стадия­ми их деформирования. Если исходить из природы деформиро­вания горных пород, то следует считать, что обвалы происходят гораздо быстрее, чем оползни, учитывая, что поверхность сколь­жения последних проходит по глинистым породам. Однако имею­щаяся на настоящий момент статистика не дает основания пред­

полагать полную безопасность оползней, формирующихся в гли­нистых толщах, так как на последней стадии оползневого процес­са может произойти быстрое разрушение или так называемая про­грессирующая ползучесть. Сложность прогнозирования хода раз­вития процесса заключается в том, что ползучесть в глинистых породах может закончиться либо прогрессирующей, либо затухаю­щей фазой (вспомним реологическую модель глинистой породы).

Таким образом, огромное значениетравитационных явлений на природных склонах и искусственных откосах складывается из:

а) их распространенности, которая увеличивается параллельно с ростом интенсивности человеческой деятельности; б) разнообра­зия ущербов, наносимых гравитационными явлениями условиям жизнедеятельности человеческого общества (разрушение продук­тов его труда, удорожание строительства и эксплуатации сооруже­ний, отсутствие уверенности в экологической безопасности и т. д.); в) угрожаемости и риска разрушения в местах потенциаль­ных оползневых и обвальных явлений; г) нарушения экологической безопасности жизнедеятельности; д) гибели людей, которая сопро­вождает особо опасные лавинные оползни и обвалы; е) недоста­точной изученности сложных и многофакторных природно-тех­ногенных систем, в которых возникают и развиваются гравитаци­онные явления, что не позволяет вести безопасное освоение ресурсов Земли.

МОРФОЛОГИЯ И СТРОЕНИЕ ОПОЛЗНЕВЫХ склонов И откосов

Большое разнообразие геоморфологических и геологических условий территорий, а также внешнее воздействие различных природных и техногенных факторов оказывают определяющее влияние на Морфологию и структуру оползневых явлений. Их особенности служат признаками масштабов, возраста, степени активности, угрожаемости, сложности изучения и прогнозирова­ния оползневых явлений, а также возможности управления ими с целью предупреждения опасных последствий для жизнедеятель­ности на освоенных и осваиваемых территориях, при строитель­стве новых сооружений, разработке месторождений полезных ис­копаемых и т.д.

Для ознакомления с основными элементами оползней рас­смотрим схематические изображения сравнительно простого, но часто встречающегося оползневого участка (рис. 14.4). Правый, более крутой берег реки, русло которой проходит по водонепро­ницаемым глинам, находится под постоянным воздействием реч­ной эрозии. В результате подрезки природного склона измени­лось его напряженное состояние, а также свойства слагающих его пород, в особенности водоупорных глин, залегающих в его основании. Итогом явился медленный оползневой процесс, кото­рый закончился оползневым явлением. Обратим внимание на раз-

ляется освоенной, и на ней расположены населенные пункты, до­роги, различные сооружения, сельскохозяйственные угодья, леса.

2. Оползневой массив (тело оползня), представляющий собой часть берега, в разной степени нарушенный выветриванием и сме­щением вниз по склону к реке. Со временем в результате склоно­вой эрозии поверхность склона видоизменяется и покрывается де­лювиальными отложениями, а затем почвенно-растительным слоем. Очень важными признаками оползневых деформаций явля­ются трещины нарушения (расчленения) монолитности оползнево­го тела (см. рис. 14.4,6) и наклоненные стволы растущих на нем деревьев (так называемый «пьяный лес»).

Поверхность скольжения (или оползневая поверхность), по которой происходит движение оползневого тела по устойчивому склоновому массиву. Вспомним, что оползень отличается от дру­гих гравитационных склоновых процессов прежде всего тем, что смещение пород происходит по поверхности скольжения в масси­ве склона или откоса. Характер и пространственное расположение этой поверхности зависит в первую очередь от геологического строения и свойств пород, слагающих склоновый массив. Она может унаследовать некоторые черты структурных элементов гео­логического строения (слоистости, сланцеватости, трещиноватос­ти, тектонических зон и разломов и других слабых контактов и прослоев) и тогда, как правило, характеризуется сложным прост­ранственным положением и состоит из нескольких пересекаю­щихся плоскостей и поверхностей (рис. 14.5). В этом случае она называется унаследованной поверхностью скольжения. Однако поверхность скольжения может формироваться в результате изме­нения напряженного состояния пород в склоновом массиве, не имеющем ослабленных зон и контактов, и тогда ее называют наи­более вероятной или наиболее напряженной поверхностью сколь­жения. Как показали наблюдения В. Феллениуса еще в начале XX века, проведенные на 300 объектах по 2400 оползневым про­филям, поверхность скольжения имеет криволинейный характер и при расчетных схематизациях может быть принята круглоцилинд­рической. Большие циклические оползни могут происходить по нескольким поверхностям скольжения последовательно. При даль­нейшем рассмотрении оползней мы убедимся в том, что характер и пространственное положение поверхности скольжения является главным признаком для построения расчетных моделей, без кото­рого количественные оценки и прогнозы получаются неточными, ненадежными и часто ошибочными. Одну из первых классифика­ций оползней предложил Ф. П. Саваренский, построив ее на осно­ве положения поверхности скольжения по отношению к геологи­ческому разрезу склонового массива. В соответствии с этой клас­сификацией все разнообразие оползневых явлений укладывается в три группы: асеквентные, инсеквентные и консеквентные. Ополз­ни, относящиеся к первой группе, имеют круглоцилиндрическую поверхность скольжения и происходят в однородной или квазиод-

нородной среде. Вторая группа оползней возникает в слоистой среде по криволинейной поверхности скольжения, пересекающей слоистость под разными углами, а третья имеет унаследованные поверхности скольжения. Название этих групп происходит от ла­тинского глагола sequio (следовать, следить) и разных приставок (,а — не, in — через, соп — согласно). Добавим к этим трем ос­новным группам еще две дополнительные группы сложных ополз­ней с комбинированными поверхностями скольжения — асеквент- но-консеквентные и инсеквентно-консеквентные (рис. 14.5).

В зависимости от геоморфологии склона и его геологического строения поверхности скольжения могут выходить на склоновую поверхность через нижнюю бровку склона (откоса) с захватом или

без захвата его основания или на некотором расстоянии от нижней бровки всегда с захватом основания. Определение местоположения и характера реальной поверхности скольжения является одной из очень важных и сложных задач в изучении оползневых явлений. Правильно решив эту задачу и тем самым определив тип оползня (произошедшего или прогнозируемого), можно по существу полу­чить надежную расчетную инженерно-геологическую модель.

4. Склоновая (откосная) поверхность с разнообразной морфо­логией в зависимости от геологического строения и стадии ополз­невого процесса. На ней встречаются заболоченные участки, валы выпирания и эрозионные линейные формы, прослеживаются гра­ницы оползневого массива, особенно в зоне отрыва (см. рис. 14.4), где трещины почти вертикальны и характеризуются большим рас­крытием. Изменение ширины этих трещин во времени указывает на активное развитие оползневого процесса. Положение трещин отрыва в плане указывает на форму оползневого тела и на главное направление его движения. Дугообразные трещины отрыва харак­терны для циркусообразных оползней (рис. 14.4,

По замеренным элементам оползневого тела в плане и по глу­бине прохождения поверхности скольжения можно рассчитать три индекса оползня (Емельянова, 1972):

а) индекс узцшгениости

б) индекс глубины захвата /_гл = A_max/L;

в) индекс уплощенности 1_ап = h/B_r

5. Оползневые террасы — верхние площадки, ограничиваю­щие оползневые тела, горизонтальные или с наклоном в сторону поверхности скольжения (см. рис. 14.4, а), часто заболоченные, иногда занятые под строительство или сельскохозяйственные угодья. На крупных оползнях может быть несколько террас, со­ответствующих разным циклам оползневого процесса, в результа­те чего поверхность склона приобретает ступенчатый профиль (рис. 14.6). На практике часто оползневые террасы принимают за речные и наоборот. Главным их отличием является направление наклона — оползневые террасы наклонены в сторону склонового массива, а речные — в сторону реки.

6. Уступ (трещина отрыва) — важный элемент оползневого склона, начальный участок поверхности скольжения, с которого обычно ведется ее поиск в склоновом массиве. Очень часто тре­щины отрыва являются первым визуальным признаком оползня

(IV)

некотором расстоянии от нижней бровки откоса плотины. Часто в широких руслах язык оползня формирует остров в середине реки.

Вал выпирания образуется в случаях прохождения поверхности скольжения через основание склона или откоса, т. е. оползень происходит с захватом основания. Поэтому вал (язык) оползня яв­ляется очень информативным его элементом, становясь иногда первым сигналом развития оползневого процесса до появления трещин отрыва.

8. Подземные воды в оползневом массиве играют исключитель­но важную роль. Как известно, Ф. П. Саваренский в общей клас­сификации геологических явлений включил оползни в группу яв­лений, связанных с деятельностью подземных и поверхностных вод. Если учесть современный характер круговорота природных вод, то можно считать, что режим подземных вод в склоновом или откосном массиве отражает все изменения, происходящие в по­верхностных и атмосферных водах, при этом вмешательстве чело­века в любую из составляющих водного баланса незамедлительно сказывается на остальных его участниках. Подробно об этом речь пойдет далее, но здесь мы все же отметим, что влияние природных вод рассматривается и количественно учитывается в оценках и прогнозах оползневого процесса в двух аспектах. Первый — это изменение состояния и свойств горных пород, приводящее в итоге к падению их прочности и усилению деформируемости. Вто­рой — изменение напряженного состояния за счет гидростатичес­кого и гидродинамического давлений водного потока. В результа­те воздействия природных вод на склоновый или откосный массив горных пород в одном или двух из этих аспектов происходит нарушение равновесия пород, активизация оползневого процесса, изменение его механизма и динамики, увеличение наносимого ущерба окружающей среде и человеческому обществу. Выход под­земных вод на склон или откос увеличивает отрицательное воздей­ствие, создавая увлажненные зоны, заболачивание, затопление и заиление сооружений.

УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ ОПОЛЗНЕВОГО ПРОЦЕССА

Оползневой процесс подготавливается, возникает и развивается в геологической среде, элементы которой создают условия, в раз­ной степени благоприятствующие гравитационным процессам. Од­нако даже при наличии самых благоприятных условий, подгото­вивших склон к оползанию, оползень может и не произойти в от­сутствие причины, нарушившей его устойчивость (Коломенский, 1964). Перйым и самым важным условием возникновения оползне­вого процесса, без сомнения, является рельеф местности, а именно наличие природного склона или техногенного откоса, который яв­ляется главным объектом воздействия и изучения. Он характеризу­

ется определенными внешними параметрами (высотой, наклоном, профилем, наличием растительного покрова) и внутренним стро­ением (слагающими его горными породами, подземными водами, полезными ископаемыми). Строение объекта может быть природ­ным, техногенным или комбинированным, но в любом случае оно имеет самостоятельное значение, которое определяет внешние па­раметры объекта и последствия динамического и функционально­го взаимодействия с внешними средами или между внутренними элементами самого объекта. Таким образом, объект, в котором возникает оползневой процесс, характеризуется двумя категория­ми природных условий — геоморфологических и геологических, которые вместе составляют знакомую нам категорию инженерно­геологических условий со всеми ее компонентами, входящими в состав геологической среды, а именно орогидрографией мест­ности, геологическим строением (составом, состоянием и свойст­вами горных пород и условиями их залегания), природными вода­ми, неотектонической обстановкой.

Оползневые явления могут происходить в любых условиях при нарушении равновесия сил, стремящихся разрушить массив гор­ных пород, и противостоящих им сил сопротивления, однако можно условно выделить более и менее благоприятные условия для возникновения разных типов гравитационных явлений. Так, например, более опасными являются высокие и крутые склоны, но предельно устойчивая высота h зависит от угла наклона а склоно­вой поверхности и от геологической обстановки. Существует большое количество работ, в которых приводятся графики зависи­мости a =f(h) для различных природных склонов и техногенных откосов (Емельянова, 1972; Иванов, 1987 и др.). При этом отме­тим, что для определения надежной количественной связи между этими двумя параметрами необходимо соблюдать три правила сбора и обработки статистических данных:

1. сохранять аналогию геологических условий, т. е. собирать данные в пределах геологического района реки, морского побе­режья или карьерного поля, насыпи из однородного грунта на оди­наковом основании и т.д.;

замерять параметры а и h, соответствующие периоду спол­зания, т. е. времени нарушения предельного равновесия;