20

Инженерная геодинамика. Введение

Раздел геологии, изучающий изменения Земной коры (ЗК) называется геодинамика.

Изменения в составе , структуре, рельефе ЗК называются геологическими процессами. Они развиваются непрерывно под влиянием факторов эндогенной и экзогенной природы.

Геологические процессы совершают гигантскую работу по преобразованию рельефа и вещества ЗК. Согласно расчетам, средняя высота суши над морем 750м.За 8,3 млн лет твердое вещество суши может быть снесено в океан в результате водной эрозии. Каждый год реками удаляется с суши 50 мрд т вещества . (Человек перерабатывает 100 мрд т грунта).

НО…эндогенные процессы рождают новые формы рельефа земной коры.

Историческая геология свидетельствует о неоднократном разрушении грандиозных горных систем. Но континентальный рельеф существует, поскольку действуют силы, непрерывно созидающие сушу.

Инженерная деятельность человека концентрируется в самых верхних частях Земной коры. Геологические процессы развивающиеся при участии человека называют инженерно-геологическими (ИГ) или техногенными.

Дисциплина инженерная геодинамика изучает изменения в поверхностной части земной коры в связи с инженерной деятельностью человека.

Цель дисциплины : разработка рекомендаций по защите ПГС и территорий от негативного влияния ИГ-процессов.

Своей деятельностью человек способен изменить силу и направление геологических процессов, НАПРИМЕР:

- Укрепить берег и остановить его разрушение;

- предотвратить разрушение вечной мерзлоты в городе;

- остановить развитие оползней.

- предотвратить подтопление городских территорий и т.д.

В его силах совершить и обратное.

ПРИЧИНЫ и ФАКТОРЫ развития ИГ-процессев.

Основой формирования геологического процесса является горная порода (грунт). Каждая порода по-разному меняется на воздействие одного фактора.

ПРИМЕР. С подъемом УГВ песок пропускает воду почти не меняя свойств, лессы увлажняются и обнаруживают провальную осадку, глина же водонепроницаема.

Другой аспект формирования ИГ-процессов – обязательные факторы. Без них процессы возникнуть не могут.

ПРИМЕР.

1)- Карстовые пещеры формируются при

проявлении трех факторов одновременно:

-наличия растворимых пород

-наличия растворителя

-наличия гидродинамического режима.

2) Подтопление города развивается только при смещении

баланса грунтовых вод в сторону пополнения их запасов.

Другие факторы развития ИГ-процессов не менее важны, но

их влияние на развитие процессов не является решающим.

Важное в исследовании геологических процессов

1.Выделение главных (обязательных) факторов , управляющих геологическими процессами означает понимание их природы.

2.Прогноз развития геол. процессов, учет влияния инженерной деятельности человека.

3.Принятие решения о способах предотвращения или устранения негативного влияния процесса на жизнедеятельность человека.

Инженерная геодинамика исследует около двух десятков ИГ- процессов, важных для хозяйственной деятельности человека. Их можно объединить по общности происхождения и особенностям развития в группы.

I. Выветривание

II. Деятельность поверхностных вод

- водная эрозия –образование оврагов, балок…

- геологическая деятельность рек

- переработка берегов морями, водохранилищами

- сели – грязекаменные потоки

- снежные лавины

III. Деятельность подземных вод

IV. Склоновые процессы

-Карст - обвалы

-Суффозия - осыпи

-Плывуны - оползни - ледники

VI. Деятельность ветра

VII. Промерзание грунтов

-Дефляция ->выдувание - морозное пучение

- корразия ->обтачивание - термокарст

- наледи

-солифлюкция

VIII.Факторы эндогенной природы.

IX.Техногенные процессы

- землетрясения - сдвижение грунтов над шахтами

- цунами - подтопление городов

- вулканическая деятельность

X.Процессы в специфических грунтах

- просадочные - набухающие

- органо-минеральные грунты -ехногенные грунты

- элювиальные грунты - засоленные грунты

Выветривание

Это совокупность физических, химических и биохимических процессов преобразования ГП и минералов в приповерхностной части земной коры. Выветривание зависит от климата, рельефа, органического мира. Наиболее важные агенты Выветривания – температура, кислород, вода..

Виды выветривания.

Выветривание физическое (механическое) - происходит под воздействием колебания температуры, минералы с анизотропными свойствами быстро разрушаются.

Пример: Коэффициенты объемного расширения_. ортоклаза, кварца и альбита относятся как 1:2:3. Коэффициенты линейного расширения у кристаллов кварца и СаСОз анизотропны. При изменении температуры возникают местные напряжения и разрушаются даже мономинеральные горные породы: мраморы, известняки. На микротрещинах пород адсорбируется вода, катионы и анионы. Они ослабляют химические связи.

Замерзание воды приводит к разрушению льдом (объем льда в трещинах на 9% больше объема воды).

При устройстве выемок, котлованов давление на ГП уменьшается, они начинают разрушаться из-за напряжения между кристаллами.

Пример: растрескивание базальта, мергеля.

Выветривание химическое - происходит под воздействием Н₂О, О₂, СО_2. При химическом выветривании минералы разрушаются с образованием новых устойчивых минералов, остальные переходят в раствор и выносятся водами.

Наиболее устойчив к химическому выветриванию в поверхностных условиях кварц, наименее, оливин, основные породы. Базальт, габбро быстрее выветриваются, чем граниты, диориты.

Химическое выветривание включает:

а) гидратацию минералов: Fe₂O₃ + nН₂0 => Fe₂О₃*nН₂О

б) гидролиз и растворение: К[AlSi₃O₈] + H₂O + CO₂ => => Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ (каолинит)+ K₂CO₃ + SiO₂ (калиевый полевой шпат => каолинит)

в)окисление (при свобод-ном О₂): Fe ²⁺=>Fe ³⁺

г) восстановление (при наличии погребенного органического вещества и деят-сти м/организмов в почвах и некот.водоемах); Fe₂O₃*nH₂O + С _орг. => Fе[СО₃] (гидроксиды железа => сидерит);

д) карбонатизацией : гидролиз минералов в процессе выветривания обычно сопровождается: 4Mg₂[SiO₄](оливин) + 4H₂O +2CO₂ => Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈ (серпентин)+ 2Mg[CO₃]

Кристаллизации солей в микротрещинах раздвигает их и механически разрушает породы.

Выветривание органическое - активное влияние растительных и животных организмов на литосферу, заключающееся в физическом и химическом разложении пород под воздействием выделяемых органических кислот, СО₂ и O₂, Биохимических процессов от бактерий почвы, а также физической деятельностти животных и растений (сверление, рост корней и т. д.). Особенно интенсивно выветривание в тропиках.

Кора выветривании (элювий) – поверхностная часть массива горных пород, преобразованная под влиянием выветривания. Ее мощность (0,5-20,0 метров) зависит от рельефа, климата, состава горных .

С глубиной кора выветривания угасает.

ОПОЛЗНИ

Это смещение массы грунтов вниз по склонам

под действием силы тяжести без опрокидывания.

Оползневым процессам подвержены

- склоны природные, берега водохранилищ и морей, склоны дорожных выемок и насыпей, склоны, сложенные моноклинальными слоями …

Схема оползня: Оползневое тело – поверхность скольжения– бровка срыва – оползневые террасы - вал выпучивания - подошва оползня

БАЛАНС СИЛ

Вес оползневого тела раскладывается на сдвигающую и удерживающую силы. Они определяют устойчивость склона. Природы последней силы описывается законом Кулона (сцепление частиц и трение).

Критические места оползневого тела:

- подошва оползня –вал выпучивания (роль сдерживания)

- поверхность скольжения (силы трения)

Причины возникновения оползней:

- чрезмерное увлажнение пород склонов

атмосферными и грунтовыми водами

- подрезка склонов (стр-во дорог, подмыв рекой)

- перегрузка склонов сооружениями

- давление подземных вод на слои делювия

- быстрый спад УГВ вблизи подтопленного склона (сработка водохранилищ – устранение взвешивающего влияния воды)

Оползни провоцируются

- землетрясениями,

- вибрацией от проходящего поезда,

-забивки свай

- штормами и ливнями

Пример: р-н Александровки в г. Ростове-на-Дону:

-перегрузка

-УГВ

-подмыв рекой

-поезда - сейсмичность.

Меры cдерживания – понижение УГВ, укрепление шпунтовыми стенками

УРОН

- при строительстве: разрушение территорий

- страдают дороги, т.к. проложены по склонам

разрушаются сотни метров и километры дорог

Для борьбы с оползнями надо знать:

Геологическое строение склона

- положение поверхности скольжения

- объем оползневого тела

- ГРУНТЫ: состав, состояние, С, f, Е_о, и др.

- причины, породившие оползень

- рассчитать модель оползня;

- прогноз устойчивости склонов

-- в природных условиях,

-- при инженерном воздействии,

МЕРОПРИЯТИЯ по борьбе и профилактике в оползневых районах:

Пассивные:

- посадка деревьев и кустарника на склонах

- укладка дерна

- запрет подрезания склонов

Активные;

- возведение опорных стен

- выполаживание склонов

- закрепление грунтов склона

- устройство земляных контрбанкетов и

ступенчатых откосов.

СЕЛЬ

Сель – временный грязекаменный поток.

Равнинная или горная река с каменистым дном переносят до 1 т/м³ твердого вещества. Плотность селевого потока достигает от 1,5 т/м³ до 2,6 т/м³. Содержание твердого материала в селевом потоке зависит от уклона русла потока.

• Скорость потока достигает 6-7 м/сек.

• Продолжительность селя 4-6 час.

В суспензии концентрируются фракции: галька, щебень, глыбы.

Условия, благоприятные для формирования селя

• геоморфология  долины рек, сухие долины с большими уклонами.

• литология  породы легко разрушаются при выветривании.

• метеорология  внезапное увеличение осадков (ливень, снеготаяние, внезапное преобладание теплых ветров). человек  вырубка леса ,выпас скота

Сель формирует свое русло и набирает скорость по мере движения. С уменьшением объема поступающей воды, поток слабеет и входит в свое русло и останавливается.

ПРИМЕР. Сель в Алма-Ате 08.07.1921 г.

• Обилие снега и превышение годовой нормы осадков на 30%.

• Породы – сильно выветрелые граниты, покрытые слабо сцементированными конгломератами и лессами.

• Дождевые осадки: за ночь выпало 160% месячной нормы.

• Вынесено в город 1,5 млн тонн грязевого материала за 4 часа. (За городом было отложено еще 5 млн тонн).

• Песчано-глинистая водная смесь с  =1,3-1,5 т/м³, переносила крупные глыбы ( объемом до 50 м³).

Методы борьбы с селем

Регулирование водонакопления:

- сброс уровня воды в озерах и прудах. (траншеи,туннели,каналы),

- устройство нагорных каналов для перехвата водного потока и отвода его в сторону;

- дамбы, разделяющие и направляюще поток; - емкости, аккумулирующие материал и снижающие энергию потока.

- запрет вырубки леса, выпаса скота.

- укрепление дна и бортов русел от размыва.

- устройство лотков, перепадов, стенок.

- селенаправляющие сооружения устраивают для отвода селя от объектов (небольшой сель может быть переброшен над дорогой по специальному лотку на опорах – селедуку или селеспуску).

Деятельность поверхностных вод

ПЛОСКОСТНОЙ СТОК

Плоские струи поверхностного стока захватывают рыхлый, мелкий материал и перемещают его вниз по склону.Этот процесс называется делювиальным.

Плоскостной смыв уменьшает крутизну склонов, они приобретают плавные очертания. Более грубый материал – песчаный отлагается в вершине шлейфа. В конце шлейфа - пыль и глина. Для делювиального процесса благоприятны равнинные степные районы.

От чего зависит формирование делювия

- рельеф, - количество атмосферных осадков, - физико-химические свойства почв, - растительный покров, - деятельность человека.

Влияние уклонов рельефа:

0,5-2,0 град. – смывается 5- 6 см слоя

2-5 град. - --“-- 13-16см

>5 град.(балка) - --“-- 32-35 см

В Ростовской области за год смывается 33млн т грунта с 1,5 млн га.

ВРЕМЕННЫЕ РУСЛОВЫЕ ПОТОКИ

Временные потоки оврагов равнин и временные горные потоки.

Этими потоками осуществляется: эрозия, перенос и аккумуляция.

Развитие оврагов начинается с РЫТВИНЫ ИЛИ ПРОМОИНЫ. Они разрастаются вниз и вверх по склону и в глубину. Энергичная эрозия, устремляясь вниз по склону, достигает устьем реку, озеро или море - базис эрозии. Углубление эрозионного вреза постепенно уменьшается и развивается боковая эрозия - склоны оврага постепенно осыпаются, - приобретают угол устойчивого естественного откоса и зарастают. В районах с рыхлыми породами, овраги быстро разрастаются. В результате возникает сложная ветвящаяся овражная система, на огромных площадях. Далее она развивается в балки, лога, лощины, суходолы, увалы.

Ростовская область. Оврагообразование – 40 тыс га/ год. Протяженность оврагов - 40 тыс км. Скорость размыва – 1,5 м / год.

БОРЬБА Активная: выполаживание рельефа, регулирование поверхностного стока системой нагорных канав и водоотводящих валов, посадка деревьев, кустарников на склонах, подпорные стенки, лотки на дне оврагов.

ПАССИВНАЯ борьба: запрет выпаса скота вблизи эрозионной сети, запрет распахивания полей вблизи эрозионной сети.

Временные горные потоки

Формируются в верхней части горных склонов как система сходящихся рытвин и промоин. Они образуют водосборный бассейн. Из него по склону вода движется уже в едином русле. Во время дождей или снеготаяния все промоины и канал стока заполняются водой, которая с большой скоростью движется вниз по склону. Захваченный водой обломочный материал усиливает разрушительную работу потока. На предгорной равнине скорость течения уменьшается, твердый материал оседает и образуется конус выноса. В строении конусов выноса материал сортирован вниз по склону: от более крупного до тонкого. Отложения конусов выноса называют пролювием.

Геологическая деятельность рек

Реки – это постоянные потоки, совершающие большую эрозионную, переносную и аккумулятивную работу.

Способность рек производить работу называют энергией реки, или ее живой силой. Она пропорциональна массе воды и скорости течения. Взвешенные частицы и влекомые потоком по дну принято называть твердым стоком рек. Различают эрозию донную, или глубинную, направленную на врезание потока в породы дна реки. Боковая эрозия вызывает подмыв берегов и расширение долины. Соотношение видов эрозии меняется на разных стадиях развития долины. В начальных стадиях формирования реки преобладает глубинная эрозия. Река стремится сгладить неровности, стремясь к уровню моря или озера. Уровень бассейна, куда впадает река называется базисом эрозии. Он является общим для всей речной системы. В нижнем течении реки уклон продольного профиля приближается к горизонтальной линии, затухает глубинная эрозия.

Грубый обломочный материал усиливает донную эрозию, но и сам истирается и окатывается, образуя гальку, гравий, песок. Одновременно с эрозией и переносом происходит аккумуляция материала. Даже при явном преобладании процессов эрозии и переноса на отдельных участках аккумулируется обломочный материал.

Речные отложения, называются аллювиальными. Мощность аллювия реки Дон (г. ростов-на-Дону) – 25м, реки Темерник – 18 м.

Строение речной долины. Речная долина развивается стадийно. Первая стадия морфологической молодости: преобладание глубинной эрозии и V – образный, поперечный профиль долины, Вторая стадия морфологической зрелости: продольный профиль реки, приближается к кривой равновесия, поперечный профиль долины U – образный, река имеет хорошо развитую пойму.

В эпохи быстрых поднятий и опусканий земной коры в долинах рек появляются молодые эрозионные врезы V – образного типа. Причина – река меняет продольный профиль вслед за базисом эрозии. В реке формируется новая пойма на более низких абсолютных отметках. Из-за колебательных движений земной коры в речных долинах образуется лестница надпойменными террас, возвышающихся друг над другом.

Классификация террас по строению:

1. Эрозионные террасы образуются в молодых горных сооружениях и слагается коренными породами.

2. Аккумулятивные террасы сложены аллювиальными отложениями, а цоколь из коренных пород

Устьевые части рек. Различают два типа устьев рек – дельты и эстуарии. Дельты – это плоские низменные равнины (реки Волга, Дон, Днепр). Здесь река распадается на многочисленные рукава и протоки. В речных дельтах встречаются различные по своему составу и генезису отложения: пески и глины, озерные отложения, болотистые отложения (торфяники, на месте зарастающих озер), морские осадки.

Эстуарии – воронкообразные заливы, глубоко вдающиеся в долину реки. у Сены, Эльбы, Темзы, С. Двина, Лена. Во время отливов морская вода вместе с речной образуют мощный поток, обломочный материал, выносится в море, где подхватывается береговыми течениями.

Эрозионная деятельность рек может провоцироваться человеком: сбор вод с орошаемых территорий; строительство водохранилищ изменяет базис эрозии участка реки (выше плотины – аккумуляция, ниже – эрозия).

БОРЬБА с неблагоприятными процессами: Подмыв берега рекой: укрепление берега, изменение скорости или перенаправление потока струй (буны,дамбы).ПОДВОДНАЯ часть укрепляется наброской камней, фашинами.

Пример: г.Ростов-на-Дону - облицовка набережной гранитом. Излучина Дона – шпунтовые стенки. Аксайский мост – наброска камней, бетонирование склонов, водоотводящие сооружения.

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ РАБОТА МОРЯ.

Инженерно-геологические процессы и явления на берегах морей и водохранилищ активно влияют на промышленные и гражданские сооружения.

Море постоянно разрушает сушу, но и создает осадочные породы. Среди осадочных пород – 95% морские. Они формируются за счет твердого стока в море рек (64%) , солей рек (12%), ледников+ветра+абразии (12%), вулканического пепла (6%), биогенного материала (6%).

Берег Моря постоянно перемещается вследствие тектонических движений.

Факторы разрушения берега моря (Абразии):

- волнение на поверхности моря из-за ветра - параметры берега: профиль , глубина моря, состав и залегание ГП, - вертикальное колебание земной поверхности.

- факторы волны: сила удара от 7,2 т/м² (Ч.море), 10-30 т/м² (океан),

мощная волна перекатывает глыбы размером 30-40т на 10-20м.

- фактор течения: скорость 0.2 м/сек перемещает песок , 0,3 м/с - мелкий гравий, 1,2 м/с - гальку размером 3 см.

РАССМОТРИМ ДВА СЛУЧАЯ АБРАЗИИ:

1)крутой берег 2)пологий берег

1) Берег крутой и море глубокое

Прибой подтачивает берег и выравнивает площадку, которая называется абразионной террасой. Разрушенный материал относится в море и образует аккумулятивную террасу.

Слабонаклонные подводные террасы волну и снижают абразию. Накапливается пляж, береговые валы. В их образовании участвует аллювий впадающих рек. Скорость формирования абразионных террас контролируется вертикальными движениями ЗК.

2) Пологий берег. Абразии нет.

Происходит аккумуляция и перенос морских осадков.

в пляжной зоне образуются береговые валы: песок,галька,гравий.

В мелководье – подводные валы при забурунивания волн на глубине равной двойной высоте волн. Они параллельны берегу. Над уровнем моря могут подниматься валы-БАРЫ высотой несколько десятков метров и длиной десятки и сотни км.

Аккумулятивные формы моря:

Аккумулятивные террасы на мелководье, пляж

Косы формируются в подветренной части берега: при подходе волн к берегу под углом.

Перейма (томболо) возникает, если между берегом и островом существует волновая тень.

БОРЬБА с неблагоприятными явлениями.

1. Волноотбойные стенки криволинейной формы и облицованы бетоном или магматическими породами. Они отбрасывают волну.

2. Укрепление пляжа позволяет защитить берег от разрушения.

-- Запрещается разработка пляжной зоны с целью извлечения

пород как строительного материала.

-- буны сооружаются под углом или перпендикулярно берегу

для сдерживания перемещения обломков вдоль берега

-- волноломы возводят параллельно берегу на расстоянии

30-40м для снижения скорости волн.

-- тетраподы гасят волну и способствуют накоплению осадков.

Все эти сооружения требуют постоянного ремонта и восстановления, так как море их активно разрушает.