Глава XI

ГЛАВНЕЙШИЕ ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ,

СВЯЗАННЫЕ С ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ ПОВЕРХНОСТНЫХ , И ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Оползни и борьба с ними. По определению крупного советского исследователя Н. Ф. Погребова, под оползнями следует понимать движение масс горных пород по склону под действием силы тяже­сти, связанное во многих случаях с деятельностью поверхностных и подземных вод. Оползневые явления широко распространены во всех странах мира. На территории СССР они также зарегистриро­ваны во многих районах. Оползни приносят большой ущерб, на борьбу с ними ежегодно затрачиваются большие средства и время.

Типы оползней весьма раз­нообразны, они зависят от ли-тологического состава пород, условий их залегания, степени обводненности и морфологии склона.

Рис. 131. Поверхности скольжения

оползня у основания (А) и впереди

основания склона (5):

/ — оползшие породы, 2 — склон до опол­зания

Существует несколько клас­сификаций оползней. Академик Ф. П. Саваренский подразде­ляет их на четыре типа: 1) оп-лывины — по склону смещает­ся в основном растительный слой; 2) осовы — смещение пе­реувлажненных продуктов вы­ветривания; перемещение су­хих продуктов выветривания

носит название осыпи; 3) соб­ственно оползни — смещение земляных масс с захватом глубоких зон; 4) оползни-обвалы — смещение рыхлых или скальных пород, сопровождающееся опрокидыванием и раскалыванием в верхней части склона.

В оползне различают стенку обрыва оползня, поверхность сколь­жения, оползневое тело, язык и подошву оползня, мощность и базис смещения (рис. 131). Некоторые исследователи, кроме того, выде­ляют цирки и оползневые накопления — отложения смещенных зем­ляных масс.

267

Оползни бывают больших размеров и часто сопровождаются че­ловеческими жертвами. Так, объем оползня в Андах (Перу) доходил до 37 225 тыс м³. Он привел к гибели нескольких сот человек. В Да-1естане на высоте 2000 м над уровнем моря в результате насыщения горных пород водой от обильных дождей в 1963 г. произошел опол­зень в районе Тунисинского перевала. Объем сместившихся пород оказался более 2000 м³; двигались они вместе с посевами различных культур и домами. За восемь дней оползень переместился на 2 км. Он перекрыл ущелье горной реки, образовав озеро площадью 3,5 км² и глубиною 60—70 м. Аналогичный оползень произошел во второй половине 1963 г. на юге Италии, в результате которого была разрушена плотина, имелись человеческие жертвы. Ф. П. Саварен-ский также указывает на один из оползней на берегу Адриатиче­ского моря, переместивший до 3,5 млн. м³ пород. Автор был свидете­лем одного из оползней в Северной Африке в 1952 г. на участке гор­ной дороги вблизи города Бужи, захватившего участок склона дли­ною до 500 м и шириною до 400 м при мощности сползающих пород до 1000 м.

Скорость перемещения горных пород по склону при оползнях ко­леблется от нескольких десятков до сотен метров в сутки. По воз­расту оползни бывают древние и современные.

Оползневые процессы могут захватывать склон на различных высотах, образуя двух- или трехъярусные оползни.

На образование оползней оказывают влияние не только подзем­ные воды и суффозионные явления, но и разрушительная деятель­ность речных и морских волн. В этом случае приходится сооружать подпорные стенки или осуществлять другие мероприятия, направ­ленные на гашение энергии воды.

Большое влияние на образование оползней оказывают недоста­точно продуманные хозяйственные мероприятия: распахивание и подрезка склонов, усиленное насыщение водой, дополнительная на­грузка на грунт и т. д.

При оценке устойчивости откосов можно пользоваться инженер­но-геологическими аналогиями, т. е. учитывать данные по районам с близкими условиями, где произведено уже строительство и откос находится в устойчивом состоянии, и математическими расчетами, основанными на определении отношения суммы сил, стремящихся сдвинуть массив пород (S7¹) к сумме сил, оказывающих сопротив­ление сдвигу (2/?):

При К— 1 откос находится в состоянии равновесия, при /С< 1 — в устойчивом состоянии и при /С> 1 — в неустойчивом.

Устойчивость откоса может быть оценена также путем прове­рочных расчетов по уравнению моментов (рис. 132):

где Q — масса оползневого массива; С— величина сцепления вт/м²; 268

L — длина поверхности скольжения в м; R — радиус кривизны по­верхности скольжения в м; АБ — момент сил. В этой формуле пе­ременными являются величины Q и С. Если левая часть уравнения моментов больше правой, прибегают к уменьшению величины Q планировкой (среза) откоса или к увеличению силы сцепления С.

Причинами возникновения оползней могут быть как природные (геологическое строение, тектоническое движение, деятельность под­земных и поверхностных вод, характер рельефа, атмосферные осад­ки и выветривание, землетрясения, суффозия), так и искусственные (подрезка склонов, нагрузка, превышающая критическую, на поро­ды склона, увлажнение пород, рас­пахивание склонов и удаление рас­тительности) факторы. Активность их может быть усилена или ослаб­лена деятельностью человека.

Рис. 132. Схема расчета оползне­вого склона

Большей частью подвижка пород на склонах или искусственных отко­сах вызывается не одной какой-либо причиной, а несколькими. Выясне-' нне этих причин необходимо для выбора правильных мероприятий по борьбе с оползнями.

Признаками оползневых смещений являются трещины на скло­нах, стенки отрыва, образующиеся при смещении оползневого участ­ка, валы из сползших масс пород, «пьяный лес» и саблевидно изо­гнутые и.расщепленные деревья, трещины на сооружениях, распо­ложенных вблизи бровки склона и на склоне. Очень часто грунт сползает ниже уровня воды в реке или море, образуя подводные валы, которые впоследствии разрушаются волнами. Такие подвод­ные валы отмечаются по Крымскому и Кавказскому побережьям Черного моря. Приурочены оползни к различным стратиграфиче­ским и литологическим комплексам пород.

Плывуны — насыщенные водой тонкие пески, обладающие пло­хой водоотдачей и малой водопроницаемостью, характерными ди­намическими свойствами, проявляющимися в образовании песчаных пробок при бурении скважин, оплывании откосов, прорывах в гор­ные выработки и т. д.

Некоторыми свойствами плывунов могут обладать не только мелкие пески, но также супеси и галечники, приобретающие под­вижность под влиянием давления движущегося подземного потока на грунт. Давление будет тем больше, чем больше уклон потока, ко­торый может быть выражен зависимостью

Сила давления на грунт равна давлению массы воды высотой dh на площадь dF, т. е.

где у — плотность воды, равная единице.

269

Давление распределяется на весь объем грунта, равный:

Следовательно, величина гидродинамического давления, отнесен­ная к единице объема, будет равна:

(XI-3)

ИЛИ

т. е. уклону потока.

При движении потока снизу вверх (рис. 133) этой силе проти­водействует вес грунта

где у — плотность породы; л — пористость породы.

Принимая плотность квар­цевых песков равной 2,65, а по­ристость мелкозернистых песков 0,50, получим вес грунта Р, рав­ный (2,65 -!)•(!- 0,50) = 0,83. Ес­ли давление потока окажется равным весу грунта в воде, то на­ступит такое состояние, при ко­тором малейшее увеличение Р приведет грунт в плывучее состо­яние.

Рис 133 Модель действия гидро­динамического давления

Для крупнозернистых пород, у которых пористость равна 0,30, Р =(2,65—1) (1—0,30) = 1,1 5 Следовательно, для того чтобы крупный песок превратился в плы­вун, к нему необходимо прило­жить гидродинамическое давле­ние не 0,83, а 1,15, т. е. на 33% больше, чем в первом случае.

Гидродинамическим давлением потока обусловливается крутиз­на откоса, сложенного песчаным материалом, процесс выноса мель­чайших частиц из породы — механическая суффозия, особенно опас­ная при неоднородном грунте в нижней части плотины (нижнем бье­фе) или в основании естественного или искусственного откоса. Вынос мелких частиц по порам между крупными зернами воз-

можен, если отношение диаметров двух функций — ^> 20, иле при

d

наличии двух слоев, у которых отношение коэффициентов фильтра­ции воды >2. В случае движения фильтрационного потока вниз он не разрыхляет грунт, а уплотняет его и даже заиливает глинистыми 270

частицами (кальматация). Это явление имеет место в верхнем бье­фе плотины или в канале при фильтрации в его дно.

Подземный поток не только переносит твердые частицы, но и, растворяя различные соли, выносит их из массива породы. Этот процесс широко распространен в природе и известен под названи­ем химической суффозии. За счет механической и химической суф­фозии могут происходить просадки грунтов. В настоящее время эти явления широко распространены в районах крупных городов в свя­зи со строительством метро и мощными откачками воды из водо­носных пластов и в районах орошения и осушения. Просадки вы­явлены в железорудных районах КМА и Кривого Рога, где в ре­зультате выноса подземной водой из железосодержащих пород кварца создались благоприятные условия к оседанию пород, зале­гающих на железных рудах. Выявляя в рельефе такие просадочные участки, можно наметить перспективные районы для поисков место­рождений, полезных ископаемых.

В глинистых породах гидродинамическому давлению противо­действует не только масса породы, но и ее связность. Данные лабо­раторных и производственных исследований показывают, что 1 м² плотной глины способен выдержать вертикальное давление подзем­ного потока, равное 101,325 кПа.

Для того чтобы обезопасить выработки от прорыва плывунов, приходится снижать величину гидродинамического давления откач­кой воды из пласта, проходкой сжатым воздухом, химическим за­креплением водонасыщенных грунтов, цементацией или заморажи­ванием.