Опасные геологические явления: оползни

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4

ОПАСНЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ: ОПОЛЗНИ

1. Теоретическая часть

Оползни возникают тогда, когда  природными процессами или людьми нарушается устойчивость склона. Силы связности  грунтов или горных пород оказываются  в какой-то момент меньше, чем сила тяжести, вся масса приходит в  движение, и может произойти катастрофа.

Земляные массы могут оползать по склонам с едва заметной скоростью (такие смещения называют медленными, или криповыми). В других случаях скорость смещения продуктов выветривания оказывается более высокой (например, метры в сутки), иногда большие объёмы горных пород обрушиваются со скоростью, превышающей скорость экспресса. Всё это склоновые смещения- оползни. Они различаются не только скоростью смещения, но и масштабами явления.

Чаще всего употребляется название "оползень". Один из наиболее авторитетных в мире специалистов по оползням академик Квидо Заруба определяет оползень так: "Это резкое смещение горных пород, при котором перемещающиеся массы отделены от монолитного основания видимой поверхностью скольжения". Далее он указывает, что под оползнем подразумевается как сам процесс, так и формы рельефа, возникающие в результате этого процесса.

Академик Заруба совместно с  профессором Менцлем написал книгу "Оползни и борьба с ними". Сразу во введении авторы обращают внимание на многообразие опасных последствий оползней. Оползни могут разрушать жилища и подвергать опасности целые населённые пункты. Они угрожают сельскохозяйственным угодьям, губят их и затрудняют обработку. Они создают опасность при эксплуатации карьеров и добыче полезных ископаемых. Оползни повреждают коммуникации, туннели, трубопроводы, телефонные и электрические сети; угрожают водохозяйственным сооружениям, главным образом плотинам. Кроме того, они могут перегородить долину, образовывать временные озёра и способствовать наводнениям, а также порождать губительные волны в озёрах и заливах. Подводные оползни рвут телеграфные кабели.

Этого перечисления достаточно для  того, чтобы понять, чем угрожают оползни. По большей части эти  процессы не являются катастрофическими, такими, при которых гибнут сотни  людей, тем не менее, ущерб, наносимый  ими народному хозяйству, может  быть значителен.

Схема строения оползня

Оползание происходит в рыхлых слабосцементированных  породах вследствие того, что крутой и высокий склон по мере подрезания его рекой, водохранилищем, морем  теряет свою устойчивость, и значительные горные массы крупными блоками начинают смещаться вниз по склону. Оползневое движение всегда связано с наличием грунтовых вод. Их обилие - необходимое  условие оползания. Однако надо себе ясно представлять, что не грунтовые  воды служат причиной оползня. Часто  мы видим, что крутой склон долин  подвержен оползням, а рядом выше или ниже по течению при том  же геологическом строении, при таком  же водообилии водоносных горизонтов и одинаковой высоте уровня подземных вод никаких оползней нет просто потому, что склон чуть-чуть более отлог. Оползни редко отмечаются на склонах крутизной менее 10-12 градусов. И при уклоне 15 градусов оползни возникаю только при благоприятных геологических и гидрогеологических условиях. Но достаточная влажность пород, обеспечивающая их пластичность, всегда необходима. Можно сказать, что при соблюдении ряда необходимых условий оползни есть функция крутизны и высоты склона. Но нельзя сказать, что оползень – есть функция наличия грунтовых вод. Для возникновения оползней наиболее благоприятны такие геологические условия, когда в основании оползневого склона залегают водоупорные пласты, а выше лежат водоносные породы. Но даже если склон и сложен только водоносными породами, а водоупорного пласта нет, всё равно будет происходить разгрузка подземных вод, уровень которых будет плавно снижаться от междуречий в сторону долины или берега моря (озера). При достаточной крутизне и высоте склонов оползни неизбежно возникнут.

Оползни могут быть вызваны действием  разных факторов. Земная поверхность  состоит главным образом из склонов. Некоторые из них устойчивы, другие в силу различных условий становятся неустойчивыми. Это происходит тогда, когда изменяется угол наклона откоса склона или если склон оказывается отягощён рыхлым материалом. Тем самым сила тяжести оказывается больше силы связности грунта. Склон становится нестабильным и при сотрясениях. Поэтому каждое землетрясение в условиях горного рельефа сопровождается смещениями по склону. Образованию оползней особенно благоприятствует такое залегание пород, при котором падение кровли водоупорных пород совпадает с направлением уклона поверхности. Водоупорный горизонт при этом служит поверхностью скольжения, по которой более или менее значительный блок породы соскальзывает вниз по склону. Неустойчивости склона способствует и повышение обводнённости грунтов, рыхлых отложений или горных пород. Вода заполняет поры и нарушает сцепление между частицами грунта. Межпластовые воды могут действовать подобно смазке и облегчать скольжение. Связность горных пород может быть нарушена при замерзании, и в процессах выветривания. Неустойчивость склонов может быть связана и с изменением вида насаждений либо уничтожением растительного покрова.

Дело обстоит серьезно и тогда, когда скальные горные породы на склоне бывают перекрыты рыхлым материалом или почвой. Рыхлые отложения легко оделяются от подстилающих пород, особенно если плоскость скольжения "смазана" водой. Неблагоприятны (с точки зрения возможности возникновения оползней) и те случаи, когда горные породы представлены пластами крепких известняков или песчаников с подстилающими более мягкими глинистыми сланцами. В результате выветривания образуется плоскость раздела, и пласты скользят по склону. В этом случае всё зависит, главным образом, от ориентировки пластов. Когда направление их падения и наклон параллельны склону, это всегда опасно. Сложно точно определить значение угла откоса, более которого склон не устойчив, а менее которого устойчив. Иногда такой критический угол определяют в 25 градусов. Более крутые склоны, по-видимому, уже не устойчивы. На возникновение оползней наибольшее влияние имеют дождевые осадки и сотрясения. При сильных землетрясениях оползни возникают всегда. Что же касается дождевых осадков, то это зависит от многих условий. Например, в Альпах в качестве критической границы принято количество осадков выше 2500 мм. Выпадение такого количества осадков в короткий промежуток времени представляет острую опасность.

По определению И.В.Попова, оползнем называется смещение блоков породы, объёмом в десятки кубических метров и более на крутых склонах в результате смачивания поверхностей отрыва подземными водами. Оползают именно блоки породы, сохраняющие при этом (в пределах блоков) свою первоначальную структуру. Оползающие горные породы обычно рыхлые или слабосцементированные. В оползающем блоке могут быть отдельные прослои или линзы из прочных скальных пород. При оползании порода частично дробится, превращаясь в брекчиевидную бесструктурную массу. Скопления оползневых масс у подножия склонов называют деляпсием.

Размеры оползней сильно варьируют. Встречаются  громадные оползни, захватывающие  сотни тысяч кубометров породы, и  малые оползни в несколько  десятков кубометров.

Оползни приурочены к крутым склонам  оврагов, балок, речных долин. Они встречаются  в горах в области развития слабосцементированных пород. Оползни  широко распространены на платформенных  равнинах, где они приурочены к  берегам рек и морей. Но везде  на равнинах оползневые склоны занимают небольшие площади из-за того, что  вообще крутые склоны (более 15 градусов) узко локализованы и процент территории, занятой ими к общим площадям равнины не составляет и 1%. В горах  же преобладают прочные скальные породы, что также резко ограничивает распространение оползней. На равнинах, так же как и в горах, в местах выхода скальных пород даже и по крутым склонам долин оползней не отмечается.

При оползании образуется определённый комплекс форм рельефа: оползневой цирк, ограниченный стенкой срыва оползня (оползневым уступом), оползневой блок, характеризующийся в большинстве случаев запрокинутостью верхней площади (оползневая терраса) в сторону оползневого склона с крутым уступом, обращенным в сторону реки, моря или озера по направлению движения оползня. Поверхность отрыва оползня имеет сферическую форму, стремящуюся приблизиться к окружности. В некоторых случаях в результате деформации поверхностных слоёв породы движущимся оползневым блоком возникает напорный оползневой вал. Такие оползни называют детрузивными в отличие от деляпсивных, свободно соскальзывающих к урезу реки или моря.

Среди оползневых явлений можно  определить следующие виды:

1. Оползание блоков породы (блоковые или структурные).
2. Оползание чехла рыхлых отложений (единовременное и быстрое) по поверхности скальной или мёрзлой – оползни - сплывы.
3. Оползание мелких блоков - оплывание, охватывающее весь склон или его значительную часть.
4. Отседание склонов, смещение блоков скальных или полускальных пород.

В соответствии с этим, можно рассматривать  оползневые склоны, склоны оползания  чехла рыхлых отложений (склоны оползней-сплывов), оплывные склоны и склоны отседания.

Структурные оползни разделяются  по разным признакам. А.П.Павлов ещё в прошлом столетии разделял оползни на детрузивные и деляпсивные. Первые оползни "толкают" перед своим нижним концом пластичные горные породы, деформируя их. Вторые свободно соскальзывают к урезу реки, моря, озера.

По отношению к структуре  горных пород, слагающих склоны, оползни  делятся на следующие виды:

1. Асеквентные, развитые в однородных породах;
2. Консеквентные, происходящие по плоскостям напластования пород или же по плоскостям разломов;
3. Инсеквентные, для которых характерно пересечение плоскостями оползания поверхностей напластования или плоскостей разломов.

Оползни могут происходить на одном  высотном ярусе - одноярусные или  на нескольких — многоярусные. Многоярусные оползни наблюдаются в горах  и реже на равнинах, главным образом  там, где высота склонов достигает 100 - 200 метров.

По времени, в течение которого происходит процесс оползания, выделяются оползни одновременные, периодические  и постоянные. Можно различать  оползни современные, недавние (происходившие  десятки лет назад), давние - сползавшие в течение исторического времени, т. е. менее чем 3-5тыс. лет назад, и  древние - удаленные от нас геологически длительными отрезками времени представляет острую опасность. По скорости смещения все склоновые процессы можно подразделить на три категории: медленные, смещения со средней скоростью и быстрые.

Медленные смещения не являются катастрофическими. Их называют волочениями, ползучими смещениями рыхлых отложений, а также скольжением и соскальзыванием. Это действительно перемещение- сползание, так как скорость его не превышает нескольких десятков сантиметров в год. Специалисты по инженерной геологии хорошо знают, как распознать такое смещение (например, по искривлённым стволам деревьев, растущих на склоне, изгибанию пластов и поверхности, так называемому смятию пластов, и с помощью чувствительных приборов). Солефлюкция и гелифлюкция - виды таких медленных смещений. Раньше под солефлюкцией понимали смещения в грунтах и рыхлых осадках, насыщенных водой. Позднее этот термин был распространен и на ледниковые условия, где фунты смещаются в связи чередования замерзания и оттаивания. В настоящее время для образования смещений, вызванных переменным замерзанием и оттаиванием, рекомендуется использовать термин "гелифлюкция". Итак, солефлюкция - это движение массы грунта, обладающего вязко- текучей консистенцией, т.е. способностью растекаться толстым слоем. Опасность этих медленных смещений заключается в том, что они могут постепенно перейти в смещение быстрое, а затем и катастрофическое. Многие Крупные оползни начинались оползанием рыхлого материала или медленным скольжением блоков горных пород.

Под смещениями средней скорости понимают те смещения, что происходят со скоростью метров в час или метров в сутки. К ним относятся большинство типичных оползней.

Оползневой участок состоит  из зоны отрыва, скольжения и фронтальной, или зоны аккумуляции. В зоне отрыва бывают различимы основная трещина отрыва и плоскость скольжения, по которой тело оползня отделилось от подстилающей породы. Оползни приводят к значительному материальному ущербу, однако правильно организованная эвакуация предотвращает человеческие жертвы. Опасно при этом возникновение наводнения, потому что оползень может завалить долины, где обычно течёт река.

Только быстрые оползни могут стать (скорость составляет несколько десятков километров) причиной настоящих катастроф с сотнями человеческих жертв. В этих случаях к смещающей силе добавляется сила инерции, а раздробленные породы по поверхности смещения дают "дополнительную смазку" и уменьшают силы сцепления. Известны разные типы таких катастроф, в научной литературе для их обозначения используются различные термины. Понятие "обвал скальных пород" ясно само по себе. Оползни-потоки возникают тогда, когда твёрдый материал смешивается с водой и течёт с большой скоростью. Оползни-потоки могут быть грязевыми (к ним относятся и вулканические грязевые потоки), каменными и переходными. К быстрым смещениям относятся и лавины, как снежные, так и снего-каменные.

Различаются оползни и по степени раздробленности оползшего блока.

Оползни-сплывы возникают в условиях низкогорного или плоскогорного рельефа, там, где коренные породы скального типа, и поэтому сами по себе не способны к образованию блоковых оползней. Сползать здесь может только покрывающий чехол суглинисто-щебнисто-глыбовых рыхлых отложений, покрывающий скальные породы. Он сплывает по поверхности коренных мёрзлых пород (часто эти поверхности совпадают). Крутизна склонов, на которых происходят оползни-сплывы, колеблется от 15 до 30 градусов. И коренные, и мёрзлые породы служат водоупором, на поверхности которого рыхлая порода, более или менее насыщенная водой и утратившая связность, в определённый момент переходит нижний предел текучести. Связь между вышележащими породами и коренным (мёрзлым) основанием ослабевает.

В результате подрезания рекой блок, подстилаемый коренными породами, над  которыми грунт насыщен водой, отрывается и по наклонной поверхности сплывает в русло. Лишившись упора снизу, теряет устойчивость лежащий выше по склону блок. Он сплывает вслед за предыдущим. Последовательно то же самое происходит с остальными блоками, расположенными выше по склону. Таким образом, на склоне появляется полоса, лишённая рыхлого  материала. Полоса вытянута по склону в направлении максимального  уклона. У подошвы склона, чаще всего  прямо в русле, нагромождаются массы  сплывшего материала с беспорядочной  бугристой поверхностью. Будучи раздробленными, они быстро размываются водным потоком.