10642

130

Рис. 23. Схема распространения факторов, осложняющих инженерно-геологические условия Нижегородской области.

1 – зоны, требующие обязательного природоохранного и охранно-восстановительного режима использования территории:

I – ЛЕВОБЕРЕЖНАЯ (ЗАВОЛЖСКАЯ) ЗОНА, лесопромышленная и сельскохозяйственная, с загрязнением малых и средних рек и их обмелением, сильной вырубленностью лесов и гарями, химическим загрязнением сельскохозяйственных земель при карьерной добыче полезных ископаемых.

II – ПРИОКСКО-ВОЛЖСКАЯ ЗОНА, промышленная с повышенным развитием транспорта, с повышенным загрязнением воздуха, природных почв, городских территорий. III – ПРАВОБЕРЕЖНАЯ ЗОНА, промышленно-сельскохозяйственная, с загрязнением воздуха и вод в промышленных центрах, повышенным загрязнением и обмелением рек, сильной обезлесенностью территории, смывом почв, удобрений и ядохимикатов в сельском хозяйстве, нарушении земель при карьерной добыче полезных ископаемых, с очагами развития карста.

2 – границы зон; 3 – граница карстовых областей с активным проявлением современных карстовых процессов; 4 – карстовые области с активным проявлением современных карстовых процессов; 5 – границы зоны подпора грунтовых вод в зоне влияния водохранилищ; 6 – подтапливаемые территории; 7 – подъем уровней грунтовых вод; 8 – интенсивная овражная эрозия; 9 – переработка берега; 10 – оползни; 11 – просадки; 12 – участки техногенного подтопления; 13 – глубина залегания первого от поверхности водоносного горизонта.

131

Левобережная (Заволжская) зона – лесопромышленная и сельскохозяйственная, с загрязнением малых и средних рек и их обмелением, сильной вырубленностью лесов и гарями, химическим загрязнением сельскохозяйственных земель при карьерной добыче полезных ископаемых. Характеризуется широким распространением подтапливаемых территорий, обширными заболоченными пространствами, неглубоким залеганием уровней грунтовых вод.

Приокско-Волжская зона, промышленная с повышенным развитием транспорта, с повышенным загрязнением воздуха, природных вод и почв, городских территорий. В этой зоне происходят процессы активного антропогенного изменения грунтовых условий, формируются антропогенные водоносные горизонты со своеобразным, отличным от природного, режимом подземных вод. На территории зоны возникают наибольшие осложнения при строительстве и эксплуатации различных объектов.

Правобережная зона, промышленно-сельскохозяйственная, с загрязнением воздуха и вод в промышленных центрах, повышенным загрязнением и обмелением рек, сильной обезлесенностью территории и смывом почв, применением ядохимикатов и удобрений в сельском хозяйстве, нарушением земель при карьерной добыче полезных ископаемых, с очагами развития карста. Для данной зоны характерно широкое развитие просадочных лессовых пород проблематичного и элювиально-делювиального генезиса.

На территории Нижегородской области протекают активные инженерно-геологические процессы, осложняющие условия строительства и эксплуатации объектов гражданского и промышленного назначения.

Экзогенные геологические и инженерно-геологические процессы и явления

Экзогенные и геологические процессы (ЭГП) и явления значительно усложняют условия строительства, а порой делают земли не пригодными для застройки, либо требуют огромных материальных затрат на проведение мероприятий и строительство сооружений защитного характера от ЭГП.

На территории Нижегородской области развиваются следующие виды ЭГП: выветривание, денудация, овражная и речная эрозия, оползневой процесс, карст, суффозия, заболачивание, солифлюкция, эоловый процесс, морозное пучение. Из инженерно-геологических процессов следует отметить подтопление, аброзионный процесс и переработку берегов в пределах созданных водохранилищ (Горьковское и Чебоксарское).

К наиболее опасным геологическим процессам (ОГП) и явлениям относятся оползневой и карстовый процессы, овражная и речная эрозия, заболачивание, переработка берегов. Эти процессы характеризуются масштабностью своего проявления, а часто и внезапностью. Именно эти виды процессов изымают из народно-хозяйственного пользования огромные участки земель.

132

Ниже приводится характеристика отдельных видов ЭГП, причем наиболее подробная для ОГП.

Выветривание горных пород происходит повсеместно, но протекает сравнительно медленно. В зависимости от основных действующих факторов различают следующие типы выветривания: физическое, химическое, биологическое.

Физическое выветривание выражается преимущественно в механическом дроблении пород без существенного изменения их минерального состава. Породы дробятся в результате колебания температур, замерзания воды, механической силы ветра, давления, которое возникает в процессе роста корней растений и т.д. Свою лепту вносит переменное намокание и высушивание пород.

Химическое выветривание выражается в разрушении горных пород путем растворения и изменения их состава. Наиболее активными химическими реагентами являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты.

Биологическое (органическое) выветривание проявляется в разрушении горных пород в процессе жизнедеятельности организмов и растений. Породы дробятся и в значительной мере подвергаются воздействию органических кислот.

Обычно одновременно действуют все типы выветривания. Мощность зоны выветрелых пород зависит в основном от уклона поверхности: на крутых склонах мощность составляет 0,10 – 0,50м, затем происходит оползание, на пологих склонах мощность до 2,00 – 3,00м, на ровных поверхностях – до 5,00м, а в зонах наличия тектонических трещин и разломов до 5,00 – 10,00м. Скорость выветривания зависит от интенсивности воздействующих факторов.

Степень выветрелости пород оценивается коэффициентом выветрелости Кw (отношение плотности выветрелой породы и невыветрелой). Если Кw = 1 порода невыветрелая, при Кw = 1-0,9 – слабо выветрелая, при Кw = 0,9-0,8 –средневыветрелая и при Кw < 0,8 – сильно выветрелая (рухляки).

Для предотвращения выветривания или улучшения свойств уже выветрелой породы существуют различные мероприятия (покрытие горных пород непроницаемыми для очагов выветривания материалами, пропитывание пород различными веществами, нейтрализация агентов выветривания и т.д.).

Денудация – процесс, благодаря которому продукты выветривания горных пород удаляются с мест их образования и перемещаются на более низкие гипсометрические уровни. Главной движущей силой является действующая сила тяжести. Различают линейно действующую денудацию и плоскостную.

Линейный снос происходит по определенным линейным путям, чаще по понижениям в рельефе, постепенно расширяя, углубляя и сглаживая их (образуются делли).

Стекающая по наклонной поверхности вода атмосферных осадков, выпавшая в виде раздробленной на мелкие капли масса, производит

133

плоскостной или склоновый смыв. Плоскостные потоки губительно сказываются на почвах, смывая их верхний плодородный слой. За 1 продолжительный ливень может быть смыто 0,10 – 0,30м пахотного слоя. Но в целом денудационный процесс протекает сравнительно медленно и наблюдения за скоростью его отличаются значительной сложностью (метод фотоплощадок, заложение специальных створов, стереометод, метод площадок – ловушек и т.д.). Преобладающая скорость денудации 1-2см в год на задернованных сравнительно пологих склонах, до 5-10см в год на крутых обнаженных склонах и на распаханных пологих поверхностях рельефа.

Способами борьбы с денудацией обычно являются одернования, регулирование поверхностного стока, уположение поверхности.

Овражная эрозия имеет довольно широкое развитие и может поражать огромные по площади регионы.

При таянии снега и во время дождей образуются ручейки и потоки. Возникает струйчатая эрозия. Образуются промоины: мелкие и глубокие, узкие и широкие. Они дают начало оврагам. Развитию оврагов способствует отсутствие растительного покрова и наличие пород, способных к размыву, и рельеф местности. Развитие промоин начинается при крутизне поверхности 1м. с дальнейшим увеличением крутизны резко возрастает скорость развития. Наиболее легко размываются лессовые породы, поэтому в районах их распространения овраги имеют наиболее широкое развитие. Овраг может вскрыть подземные воды, в таком случае возникает постоянный водоток, который в свою очередь усиливает рост оврага.

В овраге различают устье, ложе и вершину. Овраг растет вершиной вверх по склону. Одновременно происходит его углубление и расширение за счет размыва и оползания склонов оврага. Предельной отметкой, до которой возможен размыв ложа (тальвега) оврага, является уровень бассейна (озера, реки), в который впадает водоток оврага. Этот уровень называют базисом эрозии.

Растущий овраг обычно называют активным оврагом. При достижении оврагом максимальной глубины рост оврага прекращается, когда склоны приобретают устойчивый естественный откос, когда ширина превысит глубину, овраг будет называться балкой.

Размеры оврагов и балок самые различные. Длина их колеблется от десятков метров до многих километров, ширина от первых метров до сотен метров, глубина от 1-2 до 30-70м. Скорость роста оврагов зависит от активности водотоков и от характера размываемости пород. В пределах Нижегородской области скорость продвижения вершины оврагов составляет 0,3-0,5м в год в скальных и полускальных породах, 1,0-2,0 м/год – в моренных суглинках и глинах, до 5-10 м/год – в лессовидных суглинках и супесях. Причем, овраги, развивающиеся в лессовидных породах, могут продвинуться на 2-4м даже за 1 продолжительный ливень.

Мероприятия на землях, подверженных овражной эрозии, следующие:

134

-планировка приовражных склонов и засыпка мелких оврагов (промоин) глубиной до 1,5-2,0м с последующим залужением;

-выполаживание оврагов с устройством гидротехнических сооружений (лотков, быстротоков, перепадов);

-устройство распылителей стока;

-создание противоовражных лесных полос;

-строительство на базе оврагов водоемов, дорожной сети, рекреационных зон.

Речная эрозия осуществляется динамическим воздействием воды на

горные породы. Одновременно вода оказывает и растворяющие действия. Эрозией собственно называется углубление водотоком своего русла и расширение его в стороны. Поэтому, обычно различают глубинную и боковую эрозию. Глубинная и боковая эрозия всегда протекают одновременно, но боковая может продолжаться и тогда, когда глубинная уже замедлилась, либо сменилась аккумуляцией.

Базис глубинной эрозии – уровень, ниже которого река, имеющая неизменное падение к устью, нигде не может углубить свое русло. Он зависит от базиса озера, моря, в которое впадает река. На изменение базиса эрозии влияют вертикальные колебательные движения земной коры (неотектоника).

Речные долины бывают симметричные и асимметричные, имеют следующие элементы: дно долины, русло, пойму и террасы.

Дно – низшая часть долины, заключенная между подошвами склонов. Русло – часть долины, занятая водными потоками. Пойма – часть речной долины, заливаемая водой в период паводка. Террасы – уступы на склонах (бортах) долин рек. Они могут быть эрозионными, цокольными, аккумулятивными.

Боковая эрозия приводит к расширению долины реки. Происходит это за счет делювиального сноса по склонам долины, за счет образования оползней, осыпей, обвалов.

По данным многолетних наблюдений выявлено, что по побережью Волги и Оки размываемые участки составляют около 70% протяженности берегов. Учитывая, что в пределах Нижегородской области преобладает общее поднятие (предполагаемая скорость 1-2 см в год), неудивительно, что преобладает размыв берегов, особенно основания высокого правобережного борта долины.

Величина размыва пород и отступления бровки эрозионного уступа зависят от направленности течения рек по отношению к берегу и от литологии размываемых пород. На участках интенсивно размываемых пород (излучины рек) величина отмытых в год пород с 1п.м. берега колеблется от 11 до 65м3, при средней интенсивности размыва – 3-7м3, при слабой интенсивности размыва – 0,8-5,0м3.

Средняя величина отступания бровки эрозионного уступа около 1,0м, но в зависимости от интенсивности размыва и литологии пород она

135

изменяется от 0,1-0,2 до 3-4 м/год. Примерно с такой же скоростью происходит и рост аккумулятивных отмелей.

Для зданий и сооружений, расположенных в речных долинах, подмыв берегов, в том числе и древних террас, и углубление реки, представляет значительную опасность. Это приводит к обрушению берегов, появлению обвалов, оползней. С боковой эрозией борются укреплением берегов с регулированием течения реки. Способы различны: устройство набережных, подпорных стенок, наброска бутового камня, укладка ж/д плит и т.д. Направление течения реки регулируют с помощью струенаправляющих стенок, дамб, бун.

Оползни являются обычным явлением по бортам долин, по склонам оврагов, берегам водохранилищ.

Оползень – скользящее смещение горных пород под действием гравитации без потери контакта с поверхностью. Выделяют следующие геоморфологические элементы оползня: тело оползня (сползшая масса пород, сохранившая монолитность, либо распавшаяся на отдельные блоки), язык оползня (часть оползших пород, выдвинувшаяся за границу поверхности отделения), стенка срыва (над телом оползня возвышается крутая стенка, по которой произошел отрыв оползших масс от массива пород), поверхность или плоскость скольжения (по ней происходит скользящее движение пород), бровка оползня (бровка стенки срыва), подошва или основание оползня (нижний край, представляющий выход поверхности скольжения на поверхность), борта оползня (правый и левый, смотря сверху вниз склона по направлению смещения).

Длина оползня измеряется от бровки срыва до нижней границы сместившихся масс, ширина – между бортами.

Классификаций оползней чрезвычайно много. Наиболее часто применяются следующие классификации:

-по характеру развития смещения (деляпсивные, детрузивные оползни);

-по характеру захвата горных пород (оползни 1го порядка, оползни 2го порядка);

-по структуре оползневого склона и положению поверхности смещения (асективные, консективные, инсективные);

-по возрасту и фазам развития (современные, древние оползни).

Для классификации оползней Нижегородско-Чебоксарского Поволжья наиболее приемлема классификация К.А.Гулакяна, В.В.Кюнтцеля (приложение 11), которая наиболее полно отражает особенности развития оползней в породах татарского яруса и отложениях четвертичной системы. Она позволяет учитывать факторы – условия образования оползней (крутизна поверхности, геологическое строение, гидрогеологические условия, физикомеханические свойства пород) и факторы – процессы, обусловливающие их динамику (климатические условия, режим подземных вод, подмыв основания склонов), т.е. в конечном итоге кинематику и динамику оползневого процесса. Существующие представления о механизме оползневых процессов

136

позволяют разделить все многообразие оползней на 2 группы. Согласно указанной классификации к I группе относятся оползни, приуроченные к породам коренной основы, отличающиеся относительной сохранностью первоначальной структуры смещающихся пород, ко II группе относятся оползни, характеризующиеся полным изменением структуры, состояния и свойств всей массы смещающихся пород четвертичных отложений.

Оползни I группы происходят сравнительно редко, захватывают часть склона, иногда весь склон от плато до уреза реки и ниже.

В этой группе выделяют 3 типа оползней, отличающиеся основными оползнеобразующими факторами и морфологическими особенностями.

Оползни выдавливания производят большое впечатление своими размерами. Происходят они вследствие раздавливания пород в глубине массива и последующего их выдавливания. Подготовка оползня происходит скрытно, смещение происходит буквально за несколько минут и часто носит катастрофический характер. Под оползшими породами могут оказаться здания и люди. Если появляются трещины за 1-3 суток до основного смещения и их удается обнаружить, то жертв и большого материального ущерба удается избежать.

Длина оползней выдавливания > 80-100м, ширина > 50-60м, глубина захвата смещением до 20-40м, в отдельных случаях до 50-60м. Для оползней выдавливания характерна крутая, почти вертикальная стенка срыва высотой до 15-20м, наличие крутых ступенчатых блоков с почти горизонтальной поверхностью и вала выпирания (вала выдавливания) у подошвы оползня.

Оползни выплывания образуются при выплывании песчаных разностей пород вследствие действия веса вышележащих пород и при высоких гидравлических градиентах. Основным деформируемым горизонтом (ОДГ) чаще всего являются алевролиты глинистые, реже песчаники глинистые тонкозернистые. Оползни выплывания происходят редко, признаки начавшегося смещения фиксируются за несколько дней по начавшемуся выносу песчаных частиц вместе с выклинивающимися подземными водами. Длина оползней выплывания от 20 до 50м, ширина может достигать 60-100м, глубина захвата смещением 6-10м, стенка срыва почти вертикальная, но высота еѐ обычно не превышает 5-7м. Ступенеобразные блоки имеют различную направленность поверхности (в сторону склона, в сторону смещения, почти горизонтальное).

Оползни скольжения наиболее распространены среди оползней I группы. Смещением захватывается выветрелая зона коренных пород и покрывающих еѐ четвертичных отложений. Смещение происходит быстро, вследствие хрупкого разрушения пород, переходящего в срез. Длина оползней 30-80м, ширина 50-60м, иногда >60м, глубина захвата смещением от 5 до 1520м. Для оползней выдавливания характерно наличие мелких ступенеобразных блоков пород, запрокинутых в сторону склона.

Оползни I группы обычно происходят на склонах с коэффициентом устойчивости 1 и менее, при крутизне склонов 18-280 и более, при наличии в

137

разрезе пород с пониженными прочностными характеристиками (чаще всего это глины). Конфигурация склонов может быть вогнутой, прямолинейной и выпуклой. Оползни выдавливания чаще всего происходят на вогнутых склонах, в январе – феврале, когда снеговой покров достигает максимальной высоты, оползни выплывания образуются обычно в весенний период, оползни скольжения могут происходить в любые сезоны года, но как правило, при значительном увлажнении пород на значительную глубину.

Оползни II группы составляют 80-95% от общего количества оползней, происходят ежегодно, особенно активны в весенний период. Происходят на склонах крутизной 80 и выше. Основные оползнеобразующие факторы – атмосферные осадки, подземные воды, подмыв основания склона. В этой группе выделяется также 3 типа оползней.

Оползни течения наиболее распространены. Основной деформируемый горизонт атмосферными осадками, либо различного вида водами (подземными в период высокого положения уровня, техногенными и др.) приобретает текучее состояние и начинается медленное смещение пород, которое может продолжаться от нескольких суток до 1-2 месяцев. Поверхность оползней имеет бугристый характер, реже мелкоступенчатый. Размер оползней довольно различен: длина до 12-20м, ширина до 20-50м, глубина захвата смещением от 3 до 5-8м. Иногда, в аномальные годы, происходит массовая активизация оползней и границы между соседними оползнями трудно установить. На первый взгляд представляется, что это единый крупный оползень, захватывающий весь склон и достигающий размеров 200-500 х 500-600 м2. Такое явление наблюдается в годы с большим количеством осадков в предшествующий осенний период, с большой высотой снежного покрова к концу февраля, с медленным снеготаянием в весенний период и высоким подъемом уровня подземных вод в апреле – мае.

Оползни течения развиваются в элювиально-делювиальных, аллювиальных, озерно-аллювиальных отложениях.

Оползни проседания встречаются редко и поражают только лессовидные суглинки и супеси, для которых характерным признаком является их просадочность. Размер оползней небольшой: длина редко превышает 20-30м, ширина 30-40м, глубина смещения чаще до 3-4 м, реже до 5-6м. Стенка срыва оползней обычно почти отвесная высотой 1,5-4,0м. Тело оползня одноступенчатое , реже двухступенчатое. Ступени представляют террасы с почти горизонтальной поверхностью.

Основным оползнеобразующим фактором являются атмосферные осадки в виде затяжных дождей.

Оползни разжижения – смещение пород в виде грязевого потока, вследствие мгновенной потери прочности. Оползням этого типа подвержены только лессовидные суглинки, возможно это связано с их макропористостью и столбчатой отдельностью. Смещение происходит быстро (1-3 минуты) и на месте оползших пород остаются лишь пустые колбы выплывания. Разжиженные породы устремляются вниз по незатронутому смещению склону

138

и растекаются по встреченным террасам, либо по дну оврагов. Длина оползней 20-50м, ширина 10-30м. Глубина захвата смещением не превышает 3-5м. Причиной разжижения грунтов могут быть интенсивные атмосферные осадки. Оползни часто происходят во время ливней.

Оползни II группы столь многочисленны, что несмотря на свои преимущественно небольшие размеры, поражают склоны с большей интенсивностью, нежели оползни I группы. Коэффициент площадной пораженности в десятки раз выше, чем оползнями I группы.

Глубина с оползнями во многих случаях оказывается чрезвычайно сложной, дорогостоящей и зачастую неэффективной. Легче оползни предотвратить, нежели бороться с начавшимся смещением. Для успешного применения противооползневых мероприятий необходимо высококачественное выполнение инженерно-геологических изысканий.

Основными факторами в образовании оползней являются следующие: предельная крутизна склонов, наличие водоносных горизонтов, подмыв основания склонов, сосредоточенная инфильтрация атмосферных осадков. На нейтрализацию воздействия этих факторов и направлены защитные мероприятия: планировка и террасирование склонов с последующим одернованием и травосеянием, устройство подпорных стенок, проходка дренажных штолен и обустройство дренажей неглубокого заложения, берегоукрепительные мероприятия и сооружения (защитные покрытия, контрбанкет, контрфорс, набережные и т.д.), водоотводные лоткиперехватчики, лотки быстротоки, каптаж источников и др., искусственное уплотнение и закрепление пород на склонах путем инъекций (цементация, силикатизация, бутумизация, глинизация).

Карст. Проблема строительного освоения закарстованных территорий является весьма актуальной. Несмотря на сложные условия строительства, территории с карстовыми явлениями интенсивно осваиваются.

Вопросам изучения условий и закономерностей развития карста, способам и методам инженерной защиты от него, прогнозированию проявлений карста и оценке карстоопасности при строительном освоении территорий посвящены работы многих известных российских и зарубежных исследователей (Крубер А.А., Максимович Г.А., Родионов Н.В., Гвоздецкий Н.А., Соколов Д.С., Ступишин А.В., Лыкошин А.Г., Саваренский И.А., Куктепов В.М., Молоков Л.А., Газизов М.С., Мартин В.И., Печеркин И.А., Горбунова К.А., Копосов Е.В., Толмачев Е.В., Толмачев В.В., Corbel J., Jardin J., Bogli A., Lieskowski J., Prinz N., Toulemont M., Herrmann A., Pulina M., Jakucs L., Trimmel H., Cvijic J., Reuter F.). Это объясняется чререзвычайно широким распространением и многообразием карстовых проявлений, активно влияющих на безопасность жизнедеятельности людей. По мнению Н.А. Гвоздецкого (1981), примерно на третьей части земного шара имеются реальные возможности для развития карста.

Карст проявляется в виде расширенных трещин, разнообразных полостей, разрушенных и разуплотненных зон в толщах растворимых пород и

139

покрывающих их отложений, в виде провалов и оседаний в толще грунтов и на земной поверхности, представляющих большую опасность для зданий и сооружений. Характерны также: крайне неоднородная и нередко весьма высокая водопроницаемость закарстованных пород, неравномерность распределения и режима поверхностного и подземного стока, возможность наличия очагов интенсивного поглощения поверхностных вод, утечек из водохранилищ и внезапных больших водопритоков в горные выработки и котлованы. Вызываемые хозяйственной деятельностью человека изменения природной обстановки, в особенности изменения гидрогеологических условий (подтопление, откачки подземных вод и т.д.), могут привести к опасной активизации карста, связанных с ним суффозионным процессом, провалов и оседаний в толще грунта и на земной поверхности.

Современная картина карста представляет собой мгновенный и как бы статически фиксированный снимок объекта. Этот объект несет на себе следы влияния всей предшествующей геологической истории региона. Поэтому, используя принцип «от прошлого – к настоящему – в будущее» можно объективно выявить тенденции развития процесса и с учетом техногенных нагрузок и изменений спрогнозировать его развитие и проявления на поверхности земли.

К изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации промышленных и гражданских зданий и сооружений в районах распространения карста предъявляются особые требования. Соблюдение этих требований – необходимое условие успешного строительного освоения закарстованных территорий.

При инженерно-геологических изысканиях в районах развития карста следует руководствоваться тремя основными нормативными документами: СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства», М., 1997 и «Руководство по инженерно-геологическим изысканиям в районах развития карста», М., 1995 и для Нижегородской области – ТСН 22-308-98 НН «Инженерные изыскания, проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений на закарстованных территориях Нижегородской области».

Необходимо учитывать, что виды работ, их объем и методика выполнения определяются в зависимости от местных природных условий, степени изученности территории, назначения, типа и конструкции проектируемых объектов и стадии изыскания.

По результатам изысканий выделяются три типа: карста карбонатный, сульфатный и соляной (табл.69).

Карстовые процессы в Среднем Поволжье развивались на всех континентальных этапах геологической истории и продолжаются до настоящего времени.