Экзогенные геологические процессы
1. Понятие процесса
2. Географическое положение или территориальная приуроченность
3. Условия и причины ЭГП
4. Методы инженерно-геологических исследований и
методы прогноза ЭГП
5. Меры борьбы с ЭГП
1. Понятие процесса
Каменные осыпи и обвалы образуются в горах в результате разрушения скальных массивов и чаще всего в условиях сурового климата. Каменные осыпи (курумы, каменные потоки, каменные реки) – скопления камней на склонах, занимающие площадь нередко в несколько квадратных километров и гектаров (Коломенский Н.Б.). Они медленно спускаются вниз, осложняя строительство как на склонах, так и подножья. Каменные обвалы представляют собой обрушение со склонов каменных масс (Коломенский Н.Б.). Они разнообразны по размерам, составу, частоте, повторяемости. Обвалы возникают как на естественных, так и на искусственных склонах (в выемках).
В области питания обычно находятся разрушающиеся трещиноватые утесы, от которых время от времени отделяются обломки различных размеров. Чем круче склон и менее трещиноват массив, тем крупнее обломки. От петрографического состава породы, пространственного соотношения систем трещин и плоскостей напластования зависит форма обломков. Граниты и другие массивные породы дают кубовидные, матрацевидные глыбы с размерами от нескольких метров до десятков сантиметров. Эффузивы, сланцы, мелкослоистые породы дают плитчатую осыпь с размерами обломков в десятки сантиметров. Разрушающиеся утесы располагаются чаще всего в вершине склона, но нередко и по всему склону. Часты случаи, когда в области питания разрушаются не отдельные утесы, а весь склон в целом.
Наблюдаются следующие формы движения осыпи:
1. перекатывание отдельных обломков совершается на сравнительно небольшие расстояния – не более нескольких метров, так как даже движение обломков, скатывающихся из области питания, быстро замедляется при достижении ими поверхности осыпи;
2. соскальзывание группы обломков на площади в несколько квадратных метров с быстрым продвижением их вниз по склону на несколько метров;
3. постепенное скольжение вниз по склону всей массы осыпи;
4. смешанное (комбинированное), послойное движение;
5. быстрое соскальзывание массива осыпи (осов, иногда обвал).
В плане осыпи имеют одну из следующих форм: (Рис. 2)
1. узкая, слегка расширяющаяся к низу «река» (поток, курум), изгибающаяся, ветвящаяся, сливающаяся с соседними. Она спускается от отдельного утеса, часто по желобу. Ширина ее от десятков до сотен метров. В поперечном разрезе осыпь слегка выпуклая;
2. быстро расширяющийся книзу треугольник с сильно выпуклой конической поверхностью. Вершина приурочена обычно к желобу на склоне; внизу соседние осыпи сливаются. Ширина и протяженность конусов – десятки и сотни метров;
3. широкий шлейф, равномерно покрывающий ровный склон;
4. округлое или неправильной формы пятно на склоне, не имеющее заметной области питания.
По своему механическому составу и сложению осыпи разнообразны, выделяются следующие основные типы:
Крупноглыбовые осыпи со свободными промежутками; размер обломков от нескольких метров до десятков сантиметров; величина скважности этих образований достигает 30-40%
1. Крупноглыбовые осыпи с мелкозернистым заполнением промежутков. По сравнению с первым типом они более устойчивы на склонах в сухом состоянии и менее – во влажном.
2. Плитчатые со свободными промежутками.
3. Плитчатые с мелкоземистым заполнителем. Влияние степени их увлажнения такое же, как и во втором типе.
4. Щебнисто-хрящевые. Глинистые частицы в хрящевом заполнителе почти отсутствуют, что придает осыпи известную устойчивость.
5. Слоистые. В подвешенном слое они имеют мелкоземистый заполнитель, близ дневной поверхности – свободные промежутки. Эта особенность их сложения обусловливает комбинированную послойную форму движения. Этот тип осыпей имеет наибольшее распространение. В тех случаях, когда нижний горизонт таких осыпей скован вечной мерзлотой, он плотно скреплен с подстилающей породой и на таких осыпях наблюдается лишь перекатывание отдельных обломков.
6. Скрепленные известковистым травертином; отличаются высокой степенью устойчивости на склонах (например, масандровские отложения Южного берега Крыма).
7. Рассеянные осыпи. Глыбы не соприкасаются друг с другом; они залегают не только на обнаженных склонах, но и на задернованных, где частично погружены в мелкоземистый делювий.
Механический состав осыпей неравномерен не только в вертикальном разрезе, но и по площади. Книзу склона увеличивается крупность обломков (что связано с большей дальностью перекатывания наиболее крупных из них); в нижней и боковой частях осыпи в первую очередь начинается накопление мелкозема. Заметим, что заполнение осыпи мелкоземом более всего зависит от петрографического состава пород обломков, их выветриваемости и крутизны склона.
Мощность осыпей разнообразна. Она зависит от их положения в рельефе, от крутизны склона и других причин. Обычно на склонах она составляет несколько метров и увеличивается к подножью. Осыпи, накопившиеся у подножий в виде крупных конусов, имеют мощности до десятков метров.
Обвалами называют и обрушение нескольких небольших камней с откоса железнодорожной выемки, и гигантские природные катастрофы, меняющие лик окружающих участков земной коры. Крупные горные обвалы редки, но следы их сохраняются долго.
Более часто повторяются сравнительно мелкие обвалы, происходящие на естественных склонах и искусственных откосах выемок горных железнодорожных магистралей СНГ.
Источником материала для обвала могут быть: трещиноватые и выветрелые утесы, останцы; породы, слагающие сравнительно ровные, но крутые склоны; каменные осыпи, залегающие на чрезмерно крутых, а в особенности выпуклых склонах; древние морены горных ледников (валунники), отмытые от мелкозема и оказавшиеся в результате развития склона на чрезмерно крутых или выпуклых его участках.
Высоты, с которых падают обвалы, разнообразны. На естественных склонах они составляют обычно несколько десятков и даже сотен метров, на искусственных откосах – 25-30 метров.
Наблюдаются следующие формы движения обвалов: движение сравнительно большой и компактной массы обломков, которая то скользит по склону, то совершает «прыжки», постепенно теряя свою компактность; скачкообразное падение отдельных камней, при котором величина скачков и скорость полет книзу, как правило, увеличивается; прямое падение обломков (наблюдается очень редко).
2. Географическое положение или территориальная приуроченность
Осыпи известны в СНГ во всех горных районах. В Крыму и Карпатах их размеры и причиняемый ими вред невелики. В высокогорных районах Кавказа осыпи затрудняют строительство и эксплуатацию автодорог, вызывают разрушение выемок и насыпей, требуют создания дорогостоящих подпорных стенок. Осыпи осложняют промышленное строительство в ряде районов Кольского полуострова и Северного Урала. Гигантские по площади каменные осыпи – препятствие для транспортного строительства во многих районах Прибайкалья и Забайкалья. Осыпи широко распространены в Тянь-Шане, Алтае, Саянах, горах Якутии и Приморья.
Обвалы образуются практически во всех горных странах, особенно же частые и крупные обрушения происходят в областях молодых тектонических восходящих движений. Образуются обвалы на участках распространения любых скальных, а также наиболее прочных полускальных пород. Лишь легко размокающие породы обычно не дают обвалов.
3. Условия и причины ЭГП
Для оценки характера осыпи необходим учет формы склона. На ровных склонах направление движения обломков и форма осыпи в плане зависят от характера области питания, а подвижность осыпи – от общей крутизны склона; осыпь может накапливаться непосредственно на склоне. Выпуклые склоны способствуют накоплению вверху массы готовых обрушиться обломков и их быстрому соскальзыванию; осыпь накапливается только у подножья.
На вогнутых склонах осыпь пополняется постоянно падающими отдельными обломками, накапливается она и на склоне и у его подножья.
Следует отметить, что на склонах, осложненных ступенями и западинами, осыпь может накапливаться при общей крутизне склона на 5-7О больше, чем при отсутствии этих элементов микрорельефа.
Подвижность осыпей весьма неравномерна в многолетнем и годовом разрезе; наибольшая подвижность относится к периодам дождей и снеготаяния. Бывают годы, когда активные осыпи не совершают подвижек.
Перемещение осыпей вызывают силы тяжести, известная крутизна склонов, восходящие тектонические движения и некоторые другие причины. Непосредственными поводами к подвижке осыпи или отдельных ее частей могут быть: сильное увлажнение подошвы; толчки при падении новых обломков; увеличение общего веса осыпи за счет пополнения; порывы ветра; подрезка нижней части осыпи; толчки при землетрясениях; сотрясения при строительных работах или работе механизмов.
Причины образования обвалов на естественных склонах очевидны – наличие силы тяжести и разрушенных пород, большая крутизна склона.
Непосредственными поводами к возникновению обвалов на естественных склонах и в выемках могут послужить:
1. постепенное исчезновение сцепления между глыбой и массивом породы в результате выветривания, растрескивания породы, смачивания глинистой примазки, имеющейся в трещинах массивных пород;
2. расклинивающее воздействие корней, льда, мелких падающих обломочков;
3. сейсмические толчки;
4. сильные порывы ветра;
5. толчки от падающих обломков;
6. гидростатическое воздействие воды;
7. сотрясение при строительных работах.
4. Методы инженерно-геологических исследований и методы прогноза ЭГП
Образование осыпей и обвалов – естественный процесс формирования склонов в горах, сложенных скальными породами. В современную эпоху нам нередко приходится наблюдать осыпи, возникшие в сравнительно отдаленное время. Установление их возраста имеет важное практическое значение, позволяя оценить степень устойчивости осыпи за длительный срок. Наиболее обоснованные данные в этом отношении получают благодаря геоморфологическому анализу.
К числу наглядно видимых признаков подвижности осыпи относятся следующие:
1. Наличие среди замшелых и выветрелых обломков более свежих глыб.
2. Наличие скоплений глыб у деревьев с нагорной стороны, а также наличие подмятых поваленных осыпью деревьев и кустов.
3. Саблевидная форма деревьев на осыпи.
4. наличие на поверхности осыпи расселин параллельных подошве.
5. Слабая степень залесённости или отсутствие деревьев на осыпи.
Достаточно устойчивы на склоне осыпи, не имеющие видимых областей питания. В этих случаях важно оценить срок, прошедший со времени отложения осыпи.
При изучении района в целом перед инженером-геологом ставятся следующие основные задачи: отображение на карте контуров осыпей с указанием возможного направления их движения; установление закономерностей в распространении осыпей в связи с особенностями геологических условий отдельных участков, в том числе выявление взаимного расположения осыпей разных типов и разных стадий развития; сбор общих данных о современной стадии развития осыпей в районе; выяснение непосредственных поводов подвижки осыпей; сбор данных о взаимодействии осыпей и инженерных сооружений; общая характеристика способов борьбы с осыпями, применяемых в районе; определение целесообразности освоения для строительства тех или иных участков, трасс и т.п. и в случае необходимости выработки программы дальнейших исследований осыпей.
Основные методы работы на данной стадии: комплексная инженерно-геологическая съемка (масштаба 1:200000 и крупнее) на базе использования аэрофотоматериалов; обследование существующих сооружений и строительств; опросы населения; сбор данных по климату, сейсмичности; неоднократные повторные осмотры отдельных, наиболее характерных осыпей; составление подолинных ведомостей осыпей по наиболее перспективным в отношении строительства участкам. Такие ведомости позволяют проводить статистическую обработку данных и обосновать выбор площадок и трасс, наименее подверженных вредному воздействию осыпей.
Осыпи должны быть отображены на следующих картах: геологической, четвертичных отложений, геоморфологической, физико-геологических процессов и инженерно-геологической.
В тех случаях, когда местоположение строительной площадки или трассы уже определено, а вблизи нее имеются осыпи, для проектирования защитных сооружений необходимо исследовать: геологическое строение участка, состояние коренных пород, образование глыб осыпи и заполнителя; геоморфологию участка, крутизну, микрорельеф склона; геологический возраст осыпи, стадию ее развития; механический состав, сложение, мощность осыпи; условия залегания осыпи на склоне; степень подвижности осыпи; причины и формы движения; взаимодействие осыпи с инженерными сооружениями.
Признаки возможного обвала утеса, участка крутого склона: зияние параллельных склону трещин и падение мелких обломков, расклинивающих трещины; глухой шум, треск, исходящий из массива породы; проседание поверхности крутого скального откоса; происходящие сейсмические сотрясения.
Признаки возможного обвала осыпи или отдельного обломка: залегание осыпи или обломка вверху выпуклого крутого склона, происходящая подрезка склона; наличие в теле осыпи трещин разрыва; переход мелкозема в пластичное или текучее состояние; происходящие сейсмические сотрясения.
При изучении обвалов выделяются две стадии: а) выявление обвалоопасных участков и участков, которым обвалы не угрожают; б) исследование отдельных участков будущего строительства, а если требуется, то и обвалоопасных участков.
На первой стадии проведения работ перед геологом ставятся задачи:
1. Выявление и картирование необвалоопасных и обвалоопасных в разной степени и по разным причинам участков, а также соответствующих геолого-географических закономерностей.
2. Установление возможных направлений движения и ожидаемых объемов, скоростей и дальности падения обвалов, составление ведомостей обвалоопасных участков.
3. Сбор натурных и архивных данных, а также опрос населения о происходивших в районе обвалах.
4. Анализ случаев разрушительного действия обвалов на сооружения в районе, мер борьбы, оценка возможных убытков.
5. Выработка задач дальнейших исследований.
Основные виды работ на этой стадии: комплексная инженерно-геологическая съемка, в некоторых случаях опытное обрушение неустойчивых каменных масс; опросы.
На второй стадии работ перед геологом ставятся следующие задачи:
1. Рельеф, микрорельеф, и геологическое строение склона, состояние склона.
2. Состояние утесов, участков или каменных скоплений, угрожающих обвалом
3. Оценка возможного объема обвала, направления и дальности падения.
4. Оценка причин и поводов обвалов.
5. Признаки имевших место обвалов, дальность падения массива и отдельных камней.
6. Обводнение склона за счет подземных вод и стекающих атмосферных вод.
5. Меры борьбы с ЭГП
Меры борьбы с осыпями в каждом отдельном случае должны быть намечены таким образом, чтобы каждой действующей причине, поводу подвижек было противопоставлено определенное защитное мероприятие. Поэтому классификацию осыпей для какого-либо района следует строить по тем признакам, которые являются ведущими при выборе защитных мероприятий. Также следует выбирать градации всех изучаемых показателей, относящихся к осыпям.
В современной строительной практике против осыпей применяют следующие защитные меры:
1. Уборка части осыпи, располагающейся выше сооружения по склону; применяется при большой подвижности осыпи, при особой значимости сооружения с учетом технической возможности.
2. Создание в нижней части осыпи контрфорса путем искусственного перемещения туда части материала осыпи, если осыпь подрезана внизу склона.
3. Упорядочение поверхности осыпи, уборка наиболее неустойчивых глыб, регулярная повторная уборка тогда, когда общий массив осыпи малоподвижен.
4. Осушение подошвы осыпи (перехват вод), проводимое в первую очередь в тех случаях, когда имеются ручьи или родники, стекающие в осыпь.
5. Создание улавливающих стенок, берм, подпорных стенок. Способ пригоден в основном для улавливания отдельных перекатывающихся камней.
6. Постройка защитных козырьков над дорогами или деривационными каналами. Возможна на сравнительно крутых склонах для защиты от отдельных перекатывающихся обломков.
7. Сооружение каменных галерей или тоннелей для дорог. Необходимо для пропуска осыпей над дорогой, когда невозможно задержать медленное соскальзывание массива значительной по толщине осыпи.