Глава 23

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕК

Подземные воды и временные ручьи атмосферных осадков, стекая по оврагам и балкам, собираются в постоянные водные потоки — реки. Площадь, с которой к реке стекает вода, называ­ютбассейном реки.Полноводные реки совершают большую гео­логическую работу — разрушение горных пород(эрозия),перенос и отложение(аккумуляция)продуктов разрушения.

Эрозионная деятельность рек. Эрозия осуществляется динами­ческим воздействием воды на горные породы. Кроме того, реч­ной поток истирает породы обломками, которые несет вода, да и сами обломки разрушаются и разрушают ложе потока трением при перекатывании. Одновременно вода оказывает на горные по­роды растворяющее действие.

Перенос продуктов эрозии осуществляется различными спосо­бами: в растворенном виде, во взвешенном состоянии, перекаты­ванием обломков по дну, сальтацией (подпрыгиванием). В раство­ренном состоянии река переносит до 25—30 % всего материала. Во взвешенном состоянии передвигаются пылевато-глинистые и тон­копесчаные частицы.

Размер обломков, которые может переносить водный поток, пропорционален шестой степени скорости его течения, которая, в свою очередь, пропорциональна продольному уклону русла. Поэтому быстрые горные реки способны перемещать валуны диаметром в несколько метров.

При определенных условиях река откладывает обломочный материал. Речные отложения называют аллювиальными(aQ).

В процессе размывающей и аккумулятивной деятельности реки в коренных породах вырабатывают вытянутые, корытообразные углубления, которые носят название речных долин.На рис. 112, 113 показано, как река за счет эрозии углубляет свою долину, выраба­тывает определенный продольный профиль, стремясь достигнуть максимальной глубины. Положение профиля, как и всей эрозион­ной деятельности реки, зависит от базиса эрозии, под которым понимают уровень моря или каких-либо других бассейнов, куда впадает река (или прекращает свое движение).

По мере углубления долины река проходит ряд стадий. На пер­вой стадии дно реки имеет значительный уклон, поток обладает большой скоростью, интенсивно действует донная эрозия.Долина узкая, глубокая, типа теснины и ущелья. Обломочный материал(аллювий)почти весь поступает в морской бассейн. Для этой ста-

Рис. 112. Продольный профиль долины реки:

/ — верхнее течение; II — то же, среднее; III—то же, нижнее; 1—3 — последовательные ста­дии выработки профиля реки; 4 — направление донной эрозии; 5 — базис эрозии

дии развития типичны горные реки,т. е.молодые реки.По мере приближения русла к максимальной глубине река переходит в по­следнюю стадию своего развития. На значительном протяжении река теперь имеет небольшой уклон. Скорость потока снижается. Постепенно река вырабатывает равновесный профиль. Глубинная эрозия сменяется боковой. Река размывает свои берега, русло до­лины блуждает (или меандрирует). Долины широкие, пологие. Об­ломочный материал в большей своей части оседает в русле. Река мелеет, появляются отмели, перекаты, косы. Такие реки находятся в стадии старости и типичны территориям равнин.

Последовательность стадийного развития рек нарушается дви­жением земной коры (неотектоникой), которые меняют высотное положение базиса эрозии или верховьев рек. Опускание базиса эрозии или поднятие верховья приводит к возобновлению дон­ной эрозии. Долина снова углубляется, и река повторяет стадии своего развития. Поднятие базиса эрозии или опускание верховья снижает скорости течения, и в долинах усиливается аккумуляция наносов. Река быстро стареет.

А

Рис. 113. Стадийность формирования равновесного профиля реки (по А.П. Павлову): а„, 8, — положения эрозионного вреза

Большое влияние на развитие рек оказывает производствен­ная деятельность человека. Уси­ление аккумуляции на каком-ли­бо участке реки может быть вы­звано интенсивным забором воды в целях водоснабжения и ороше­ния сельскохозяйственных угодий или увеличением поступления твердого стока за счет сброса в реку отвальных пород горно-руд­ной промышленности. Сброс в реки большого количества вод с

Рис. 114. Поперечное сечение речных долин:

а — симметричное; б — асимметричное

орошаемых территорий может привести к усилению эрозион­ной деятельности. Строительст­во водохранилищ, в свою оче­редь, но иначе влияет на поло­жение базиса эрозии всей реки или ее части. Выше плотин уменьшаются скорости течения, растет аккумуляция наносов: ниже плотин осветленная вода резко повышает донную эро­зию. Например, понижение уровня озера Севан (Армения) вследствие сработки воды на гидростанциях вызвало резкую донную эрозию приустьевых частей рек, впадающих в это озеро.

При инженерно-геологической оценке территорий геологиче­скую деятельность рек следует изучать в связи с природными причинами и с хозяйственной деятельностью человека. Особое внимание уделяется размыву русел рек, аккумуляции наносов и подмыву берегов.

Строение речных долин. Долины рек разнообразны по фор­мам, размерам, строению. Это можно видеть в поперечных раз­резах. Долины бывают симметричныеиасимметричные(рис. 114). Последние являются следствием вращения Земли и свойственны равнинным рекам (или участкам рек) с меридиональным направ­лением течения.

Долина имеет следующие элементы: дно долины, русло, пой­му и террасы (рис. 115).Дно —низшая часть долины, заключен­ная между подошвами склонов.Русло— часть долины, занятая водным потоком. Поперечный разрез потока называют живым

Рис. 115. Элементы строения долины реки:

/—коренные породы; 2— склон; 3 — русло; 4 — пойма; 5 — первая над­пойменная терраса; 6 — то же, вторая; 7 — старица; 8 — дно долины

сечением. Пойма — часть речной долины, заливаемая водой в пе­риод паводка в силу таяния снега весной. Поймы бывают низкие, заливаемые ежегодно, и высокие, эти обычно заливаются один раз в 10—15 лет. Старицы — изолированные старые русла рек, в которых вода не движется, а стоит, как в озерах.

Иногда при характеристике речных долин применяют поня­тие тальвег— условная линия, соединяющая самые глубокие точ­ки дна долины. В большинстве случаев дно долины представляет собой сравнительно ровную поверхность.

Необходимо различать следующие уровни воды в реке:

• расчетный горизонт высоких вод, отвечающий средним из наибольших уровней реки, наблюдавшихся в течение многих лет;

• наивысший горизонт высоких вод, выше этого уровня по многолетним наблюдениям вода не поднималась;

• меженный горизонт — низкий уровень воды.

На береговом участке поймы, вдоль русла, часто образуется прирусловый вал, сложенный песком. Поверхность центральной части поймы содержит протоки, старицы, озера, старые прирус­ловые валы.

Террасы— уступы на склонах долин рек. Террасы бывают по­перечные и продольные.Поперечныерасполагаются поперек рек долины и порождают водопады. Их появление связано с пересе­чением рекой пород различной прочности. Мягкие породы раз­мываются быстро, между ними и твердыми породами образуются уступы высотой от нескольких до десятков метров. Вода падает с уступа (порога) и продолжает разрушать мягкие породы. Приме­ром могут служить пороги на р. Ангаре и др.

Продольныетеррасы располагаются вдоль склонов долин в ви­де горизонтальных или почти горизонтальных площадок. Их на­зывают надпойменными. При паводках они не заливаются водой. Каждая надпойменная терраса в свое время была поймой. Даль­нейшее углубление дна долины поднимает надпойменные терра­сы все выше и выше.

Отсчет надпойменным террасам ведут снизу вверх (I — над­пойменная, 11 — надпойменная и т. д.). Общее количество бывает различным: в долинах равнинных рек до 3—4, горных рек —зна­чительно больше. Известны случаи, когда долины горных рек имеют до 10—15 надпойменных террас. Долина р. Дон у г. Рос­това-на-Дону имеет 5 террас, долина р. Кубани у г. Черкес­ска — до 14.

Каждая терраса измеряется высотой и шириной. Высота ко­леблется от метров до десятков метров, ширина—от десятков метров до десятков километров. Продольные террасы по слагаю- 362

щему их материалу подразделяют на эрозионные, цокольные и аккумулятивные (аллювиальные) (рис. 116).

Эрозионныетеррасы вымываются рекой в коренных породах долины и возникают на первых стадиях развития реки (чаще горной) или в ее верхнем течении. Эрозионные террасы, пере­крытые маломощным аллювием, называютцокольными. Аккумуля­тивныетеррасы полностью сложены из аллювиального материала и наиболее типичны долинам равнинных рек.

Аккумулятивные террасы подразделяют на вложенные и нало­женные (рис. 117, 118, 119). Долины с вложенными террасами формируются следующим образом. Вначале река образует долину в коренных породах. Далее в процессе старения река заполняет свою долину аллювиальными наносами. Новое усиление эрози­онной деятельности углубляет дно долины, но уже в ранее отло-

Р и с. 116. Типы надпойменных террас:

а — эрозионные; б — цокольные; в — акку­мулятивные; 1 — русло; 2— пойма; 3— над­пойменная терраса; 4 — то же, вторая; 5 — коренные породы

Рис. 117. Виды надпойменных аккумулятивных террас:

в —вложенные; б — наложенные; / — русло; 2— пойма; 3—5— надпойменные террасы;

6 - коренные породы

Рис. 118. Врезанные террасы:

а — нормальный размыв; б — энергичный размыв

Рис. 119. Прислоненные террасы:

а — в условиях затухающей эрозии; б — при равномерно интенсивной глубин­ной эрозии

жившемся аллювии. Часть аллювия, прислоненная к коренному склону, сохраняется в виде надпойменных террас. Последующие циклы накопления наносов дают новые надпойменные террасы, причем каждая последующая по возрасту оказывается моложе предыдущей.

Наложенные террасыобразуются несколько иначе. Усиление эрозионной деятельности приводит лишь к частичному размыву ранее отложившегося аллювия. Аккумуляция новых наносов про­исходит поверх более древних аллювиальных отложений.

Геологическое строение речных долин имеет важное значение при инженерно-геологической их оценке в строительных целях. Наиболее благоприятными в этом отношении являются террасы эрозионные. Значительно сложнее решаются вопросы строитель­ства на аккумулятивных наносах (рис. 120,121).

Борьба с эрозией рек. Для зданий и сооружений, расположен­ных в речных долинах, подмыв берегов, в том числе и древних террас, и углубление дна реки представляет значительную опас­ность. Это приводит к обрушению берегов, сокращению строите­льных площадок, появлению обвалов, оползней и другим неже­лательным явлениям (рис. 122).

Скорость размыва берегов, сложенных рыхлыми породами, может быть значительной. Так, р. Кубань ниже г. Краснодара в отдельных случаях размывала лессовый берег со скоростью до 20м в год.

Рис. 120. Схема строения поймы (по Е.В. Шанцеру):

А — русло; В — пойма; С —старица; Д— прирусловый вал; Я—уровень половодья; А — уро­вень межени; М— нормальная мощность аллювия (русловой аллювий: / — крупнозернистый песок, фавий, галька; 2 — мелко- и тонкозернистые пески; старичный аллювий: 3 — торф; пойменный аллювий: 4 — суглинок)

С боковой эрозией борются укреплением берегов с регулиро­ванием течения реки. В зависимости от геологического строения берега, характера и места размыва укрепление проводят устройст­вом набережных, подпорными стенками, свободной наброской бутового камня или в фашинных тюфяках, укладкой железобе­тонных плит и т. д.

Хорошо защищают берег струенаправляющие стенки, дамбы и буны (см. рис. 122), регулирующие направление течения реки.

Способы укрепления подводной и надводной частей берега различны. Подводную часть берега ниже меженного горизонта следует укреплять каменной наброской и фашинными тюфяками, загруженными камнем; надводная часть крепится бетонными ар­мированными плитами, подпорными стенками, камнем в плетне­вых клетках. В отдельных случаях интенсивная боковая эрозия заставляет переносить сооружения подальше от берега. Так, на­пример, произошло с городом Турткулем. Эрозионная деятель­ность Аму-Дарьи заставила перенести этот город на новое безо­пасное место. Так возник новый город Нукус.

Донная эрозия наиболее опасна для опор мостов, поэтому они должны иметь достаточное заглубление. Следует учитывать движение льда, так как заторы могут вызвать резкий подъем уровня реки и затопление прибрежных районов. Заторы следует разрушать, а в местах их образования заранее производить обва- ловывание берегов.

Неблагоприятно сказываются паводки на пойму рек. Сооруже­ния и берега долины необходимо защищать земляными дамбами, отсыпкой камня и другими способами, позволяющими нейтрали­зовать эрозионную силу паводковых вод. Для строительства более благоприятны неподмываемые и незаносимые участки долины.

Речная терраса

Рис. 121. Флювиальный процесс: а —план речной долины; б—поперечный профиль

Аллювиальные отложения рек и их строительные свойства. Бо­льшую часть обломочного материала реки выносят к морю и от­кладывают в районе дельт. Волга выносит в Каспийское море до 25 млн т наносов в год.

366

а б

Рис. 122. Подмыв берега рекой (а), струенаправляющая стенка в русле

реки (6):

1 — здание, 2 — размываемый берег; 3 — струснаправляющая стенка; 4 — течение реки

Значительная часть аллювиальных отложений скапливается в русле рекина поймах.Общая мощность аллювиальных отложе­ний в долинах рек различна — от нескольких метров до десятков метров. Например, в долине средней Волги аллювий составляет 18—22 м, а аллювий Дона у г. Ростова-на-Дону — до 25 м; у при­тока Дона реки Темерник— 15—18 м и т. д.

Состав аллювиальных отложений отражает скорость речного потока. Скорость потоков в течение года, ряда лет, а также в за­висимости от стадий развития реки весьма различна. Это приво­дит к накоплению в одной и той же части долины аллювиальных осадков различного -состава и крупности, к литологической пест­роте аллювиальных толщ. В состав аллювия входят глыбы, валу­ны, галечник, гравий, пески, суглинки, глины, илы, органиче­ский материал. Там, где течения наиболее сильные, например горные реки, преобладает крупноблочный материал. Для равнин­ных рек свойственны пески и более мелкозернистые осадки.

По характеру осадков и месту их накопления речные отложе­ния разделяют на дельтовые, русловые, пойменные и старинные.

В дельтах накапливаются песчано-глинистые осадки. Матери­ал, который откладывается в руслах рек, называют русловым ал­лювием.В его состав входят пески и более грубые обломки — га­лечник, гравий, валуны.Пойменный аллювийоткладывается в период паводка и представляет собой суглинки различного соста­ва, глины и мелкозернистые пески. Отложения поймы обычно обогащены органическим материалом.Старичный аллювийфор­

мируется на дне стариц, на которых откладываются илы со зна­чительным количеством органических веществ. В период паводка в старицы поступает тонкозернистый песок, который, смешива­ясь с илом, образует илистые пески. Характерной формой залега­ния старичных отложений является линза.

В основании толщ аллювия обычно залегают отложения, от­личающиеся от покрывающих их толщ крупнозернистостью (га­лечники, гравий, крупнозернистые пески).

В пределах речных долин могут залегать отложения неаллю­виального характера. К их числу относят делювий, конусы выно­са пролювиальных наносов и эоловые накопления.

Речные долины служат местом активной производственной деятельности человека. В связи с этим аллювиальные отложения зачастую попадают в сферу строительных работ. К оценке аллю­виальных отложений, как оснований, следует подходить диффе­ренцированно, исходя из того, что существуют три разных типа грунтов — русловые, пойменные и старичные, не говоря уже об особенностях микрофаций аллювия.

В речных долинах, на поймах и надпойменных террасах часто приходится строить крупные здания и сооружения, передающие значительные нагрузки на грунт. Примером могут служить элева­торы, речные вокзалы, различные портовые сооружения и др. В качестве оснований для них принимают древний уплотненный аллювий аккумулятивных террас и русловые отложения, так как русловой аллювий, представленный крупными обломками и пес­ком, способен выдерживать тяжелые сооружения. Русловые отло­жения в долинах крупных рек служат хорошим основанием для мостовых переходов. В случаях, когда русловой аллювий пере­крывается пойменными и старичными отложениями, используют свайные фундаменты.

Древний пойменный аллювий в виде суглинков и глин твер­дой консистенции является хорошим основанием. Однако следу­ет иметь в виду, что на древних террасах аллювиальные суглинки часто имеют лессовидный облик и могут обладать просадочными свойствами. В этом случае строительство следует вести как на лессовых просадочных грунтах.

Современный пойменный аллювий обладает высокой влажно­стью либо вообще находится в водонасыщенном состоянии с низкой несущей способностью. Суглинки и глины легко перехо­дят в пластичное и даже текучее состояние.

Наиболее слабыми из аллювиальных отложений являются ста­ричные иловатые. При строительстве между подошвой фундамен­та и иловатым грунтом применяют песчаные подушки или свай­ные фундаменты.

Следует учитывать и такую характерную особенность аллюви­альных отложений, как многослойность их толщ с наличием линз и пропластков. Слои и прослои под нагрузкой могут обла­дать различной сжимаемостью, что значительно усложняет расчет осадки сооружений. Особенно большая опасность угрожает зда­нию, если его фундамент в разных своих частях опирается на грунты с различной сжимаемостью. С аллювиальными отложени­ями связаны такие явления, как плывунностъ песчаных и набуха­ние глинистых грунтов.