Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современной геоэкологической устойчивости ландшафтов на территории Московской области 12
1.1. Оценка состояния, использования и охраны ландшафтов, почв, земельных ресурсов Московской области 12
1.2. Эрозия, как фактор разрушения ландшафтов 27
1.3. Анализ методов рекультивации земель нарушенных горными работами 31
Глава 2. Характеристика объекта исследования и разработка метода противоэрозионной защиты 46
2.1. Общая характеристика объекта натурных исследований и краткое описание проекта его рекультивации 46
2.2. Анализ инженерно-геологических условий объекта натурных исследований 49
2.3. Физико-механические свойства грунтов карьера 56
2.4. Анализ общей устойчивости бортов карьера и эрозионных процессов развивающихся на их поверхности 58
2.5. Разработка метода противоэрозионной защиты и конструкций геокомпозиционных экранов 64
Глава 3. Теоретическое обоснование применения геокомпозиционных экранов при рекультивации земель нарушенных горнотехнической деятельностью 67
3.1. Разработка математической модели развития эрозионных процессов в их критическом состоянии 67
3.2. Разработка методики расчета устойчивости геокомпозиционных экранов на эрозионно-опасных участках.. 81
3.3. Оценка влияния биологических факторов на устойчивое функционирование геокомпозиционных систем 89
Глава 4. Результаты натурных исследований по стабилизации эрозионных процессов на объекте (карьер "Гурбан") 92
4.1. Принципы и методика натурных наблюдений 92
4.2. Оценка результатов метеорологических наблюдений 95
4.3. Анализ результатов натурных наблюдений 102
4.4. Оценка геоэкологической эффективности геокомпозиционных экранов по данным натурных исследований 108
Общие выводы 121
Литература 123
- Оценка состояния, использования и охраны ландшафтов, почв, земельных ресурсов Московской области
- Общая характеристика объекта натурных исследований и краткое описание проекта его рекультивации
- Разработка математической модели развития эрозионных процессов в их критическом состоянии
- Оценка результатов метеорологических наблюдений
Введение к работе
Естественная основа существования человека и человечества - природная среда, т.е. совокупность объектов и условий природы, в которых протекает деятельность субъекта или их сообществ. В частности люди добывают, перерабатывают и используют то, что можно получить из земных недр, поэтому минеральные ресурсы занимают практически ведущее положение среди источников материального производства, а горное дело является одной из основных отраслей промышленности.
Одной из важнейших особенностей горных работ является их временный
характер. При истощении месторождения полезных ископаемых собственно
горные работы по их добыче прекращаются. Однако, несмотря на такой
временный характер воздействия горных работ на окружающую среду,
геологическая среда в горнодобывающих районах преобразуется весьма
интенсивно и крупномасштабно. Постепенное накопление таких
преобразований может выразиться в отложенной реакции, которая способна
вызвать катастрофические с геоэкологической точки зрения процессы и
явления. Геологическая среда, как литогенная основа природных ландшафтов,
принципиально является одним из наиболее стабильных и консервативных
условием, обычно наименее изменчивых в текущих темпоральных
взаимодействиях и кругообороте веществ в существующих геоэкосистемах.
Однако установлено, что изменения, вызванные воздействием горных работ на
геологическую среду в силу их масштабности, широкого распространения и
многовекового применения, отрицательно сказываются на
геоморфологических, биологических, эстетических характеристиках ландшафтов. Нарушения приводят к гибели или деградации растительного покрова, ухудшению качества, изменению структуры или потере плодородного почвенного слоя. Лишенные же растительного покрова и частично нарушенные породы далее подвергаются интенсивной водной и ветровой эрозии.
Именно открытой разработке месторождений свойственны наиболее обширные ландшафтные нарушения. Кроме того, каждый участок земли, на-
рушенный при открытой разработке месторождений, негативно влияет на примерно такую же площадь прилегающей территории. Выработанное пространство характеризуется занимаемой площадью, глубиной, устойчивостью бортов, физико-механическими и физико-химическими свойствами пород и гидрогеологическими особенностями территории.
Процессы естественного восстановления растительных покровов, почв и рельефов нарушенных земель протекают медленно (до тысячелетий) или неэффективно. Нарушения земной поверхности, как правило, не исчезают и становятся устойчивыми техногенными формированиями. Это является причиной того, что нарушенные земли подлежат искусственному восстановлению.
Из вышеизложенного следует, что исследование и разработка мероприятий, направленных на восстановление нарушенных земель, с целью обеспечения геоэкологической безопасности природно-техногенных ландшафтов, актуальны, современны и имеют большое практическое значение.
"Экологическая безопасность - состояние защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от возможного негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, их последствий" [65].
"Составной частью экологической безопасности является геоэкологическая." [65] Геоэкологическая безопасность в приложении к рекультивации выработанных карьеров предполагает разработку и реализацию комплекса мероприятий, направленных на обеспечение безопасности главных жизнеобеспечивающих геосфер, и реализуется в процессе проектно-изыскательских, технологических и эксплуатационных фаз осуществляемого строительного проекта на протяжении всего жизненного цикла во взаимодействии с природно-техногенными системами вторичных (природно-техногенных) ландшафтов [65].
В работе приводятся материалы экспериментально-теоретических исследований на стадиях проекта, строительства и эксплуатации
6 геокомпозиционных экранов, рассматриваемых как элемент восстанавливаемой антропогенной экосистемы. Исследования были сосредоточены на оценке геоэкологической безопасности вторичных (природно-техногенных) ландшафтов.
Цель работы - обеспечение геоэкологической безопасности вторичных (природно-техногенных) ландшафтов, образовавшихся в результате добычи минеральных материалов, на основе прогноза развития эрозионно-склоновых процессов и разработки эффективных решений геокомпозиционных экранов (на примере песчано-гравийного карьера "Гурбан" Московской области).
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
На основе анализа состояния проблемы выработать методологию исследований.
Провести подробный геоэкологический анализ натурного объекта исследований, и сопоставить полученные данные с обобщенными геоэкологическими условиями территории Московской области, для определения масштабов применения разработанных решений.
Определить тип материала матрицы геокомпозиционных противоэрозионных экранов с учетом сложности и специфики геологических, климатических и биоценотических условий. Сформулировать основные требования, которым он должны отвечать.
Разработать математическую модель критического развития эрозионных процессов на склонах, сложенных песчаными грунтами техногенного происхождения.
Обосновать методики расчета устойчивости геокомпозиционных экранов.
Разработать программу и реализовать крупномасштабный натурный эксперимент, для обоснования теоретических исследований, включая проектное решение, технологический регламент и мониторинг на период строительства и эксплуатации геокомпозиционных экранов.
Объект исследований диссертационной работы - природно-техногенная система, образовавшиеся в результате горных работ (выработанный карьер песчано-гравийного материала). Предмет исследования - методы стабилизации грунтов бортов отработанных карьеров подверженных развитию эрозионных и склоновых процессов.
Рабочая гипотеза диссертации заключается в том, что применение геокомпозиционных экранов в конструкциях противоэрозионнои защиты земель, нарушенных горнотехнической деятельностью, позволяет обеспечить геоэкологическую безопасность вновь созданных вторичных (природно-техногенных) ландшафтов и восстановить гомеостаз этих антропогенных экосистем.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
Впервые на основе теоретических исследований и результатов крупномасштабного натурного эксперимента, выполненных лично автором, обоснован комплекс мероприятий, позволяющих обеспечить устойчивость функционирования природно-техногенных ландшафтов, образовавшихся в результате добычи минеральных природных материалов, подверженных активному развитию эрозионных процессов;
Разработана математическая модель критического развития эрозионных процессов на антропогенной территории с отличными от природных условий геоморфологическими характеристиками (большие значения угла заложения откосов бортов карьера, нарушенная структура грунтового массива, нарушенный гидрологический режим и т.д.).
Автором разработана и экспериментально обоснована конструкция геокомпозиционных противоэрозионных экранов и методика расчета устойчивости техногенных и природных склонов, защищенных геокомпозиционными экранами в условиях активного развития эрозионных процессов.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что:
^ Теоретически обоснованное, проверенное расчетами и натурным
экспериментом решение, базирующееся на использовании
геокомпозиционных экранов, с целью предотвращения эрозионных
процессов на объектах со сложными геологическими, биологическими и
климатическими условиями, позволяет обеспечить их геоэкологическую
безопасность, а также существенно снижает сроки и материалоемкость
строительства. Степень проработки этого решения позволяет рекомендовать
'# его к непосредственному применению в практике проектирования и
строительства;
Разработанная и экспериментально обоснованная математическая модель,
позволяющая выявить опасность развития эрозионных процессов на
песчаных склонах, рекомендована к использованию в проектной и
нормативной документации;
Разработанная и экспериментально апробированная методика расчета
(Щ устойчивости геокомпозиционных систем на склонах, является практически
подготовленной для включения в нормативную документацию и практику проектирования систем инженерной защиты.
Решения, примененные в данной работе, были использованы при
выполнении НИР работ НП и УЦ «Экогеос» на объектах Сорочаны, Сычево,
ВНИИГАЗ и прошли согласование Госгортехнадзора России при капитальном
ремонте магистрального трубопровода Тихорецк - Новоросийск.
На защиту выносятся:
~ 1. Математическая модель, критического развития опасных эрозионных
процессов на бортах отработанных карьеров и природных склонах, сложенных песчаными грунтами; 2. Методика расчета устойчивости геокомпозиционных систем противоэрозионной защиты земель нарушенных горнотехнической деятельностью;
3. Результаты крупномасштабного натурного эксперимента, подтвердившие эффективность использования геоматов в геокомпозиционных противоэрозионных экранах, в сложных геоэкологических условиях.
Публикации: основное содержание диссертации отражено в 5 опубликованных работах.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции "Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах" (Архангельск, 2003); Российской научно-технической конференции "Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды" (Пермь, 2004); Научно-технической отчетной конференции-выставке по результатам реализации в 2004г. Межотраслевой программы научно-инновационного сотрудничества Министерства образования и науки РФ и Федерального Агентства Специального строительства РФ "Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве" (Москва, 2004); Научно-методических семинарах кафедры Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ, аспирантском семинаре кафедры Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии, изложена на 132 страницах машинописного текста, включая 36 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 138 наименований, в том числе 17 на иностранном языке.
В главе 1 проведен анализ современного геоэкологического состояния территории Московской области с позиции устойчивости сложившихся первичных (природных) и вторичных (природно-техногенных) ландшафтов. Подробно изучен вопрос нарушения земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых. Выявлены основные виды и масштабы антропогенного воздействия горнодобывающей деятельности человека на природные ландшафты Московской области. Определен механизм воздействия эрозии на сложившиеся ландшафты. Приведено аналитическое обобщение
методов, применяемых при рекультивации земель нарушенных горными работами с оценкой их эффективности, технологичности и экологичности. Оценены существующие приемы и мероприятия, включая инженерные методы защиты земной поверхности от эрозии, и выработаны требования к материалам и конструкциям, используемым в данных целях.
В главе 2 дано описание объекта натурных наблюдений. Проведен анализ эрозионных процессов развивающихся на поверхности склонов исследуемого карьера. Проанализированы геологические, биологические, топографические и климатические условия объекта. Определена площадь сбора атмосферных осадков, влияющих на процесс оврагообразования. Определен гранулометрический состав грунта, на поверхности которого развиваются эрозионные процессы. Дано обоснование принятого проектного решения. Разработан технологический регламент производства работ по устройству геокомпозиционных противоэрозионных экранов.
В главе 3 приведена математическая модель, позволяющей выявить опасность развития эрозионных процессов на бортах карьеров горных выработок и природных склонах, сложенных песчаными грунтами и не имеющих "природного экрана". Разработан и обоснован новый метод расчета устойчивости геокомпозиционных систем, как на поверхности защищаемых склонов, так и собственно всего склона. Проведен анализ влияния биотических факторов на устойчивое функционирование геокомпозиционных систем.
В главе 4 приведена программа и методика натурных наблюдений. Представлены результаты экспериментальных наблюдений за геокомпозиционными экранами, установленными на аварийных бортах карьера. Определены значения фактических скоростей потоков, образовавшихся за период натурных наблюдений. Проведен анализ полученных данных с целью подтверждения выработанных теоретических положений и оценки правильности принятого экспериментального решения по устройству противоэрозионной защиты конструкциями из геокомпозиционных материалов.
11 Диссертационная работа выполнена автором на кафедре "Инженерной геологии и геоэкологии" и в Научно-Производственном и Информационном Центре "Экогеос" Московского Государственного Строительного Университета. Натурный эксперимент проводился на выработанном карьере песчано-гравийного материала "Гурбан", расположенном в Дмитровском районе Московской области.
Оценка состояния, использования и охраны ландшафтов, почв, земельных ресурсов Московской области
По своему географическому положению Московская область большей своей частью располагается в лесной зоне. При этом, пространства, лежащие севернее р. Оки, относятся к подзоне широколиственно-хвойных (смешанных) лесов, а южнее Оки (до широтного отрезка р. Осетр) - подзоне широколиственных лесов. Лишь самый юг области принадлежит лесостепной зоне.
Современные природные ландшафты области в том виде, как они существуют ныне, сформировались в результате последней климатической смены, которая произошла в центре Русской равнины в позднем голоцене, а также природного и антропогенного воздействия последних 2000-2500 лет. Однако литогенная основа этих ландшафтов формировалась на разных этапах четвертичного периода. Поэтому от момента обособления литогенной основы до наших дней, вследствие неоднократного существенного изменения климата, разные участки территории испытали разное число полных смен одних ландшафтов другими. Кроме того, преимущественно из-за антропогенного воздействия они испытали по одной или несколько неполных ландшафтных смен, при которых климатическая и тектоническая обстановка оставались неизменной [45].
Почвы. В непосредственной связи и взаимодействии с приповерхностной частью литосферы находятся почвы. Экологические функции почвы весьма изменчивы, а в целом они обладают высокой степенью динамичности свойств и состава, что делает эту важную для биосферных процессов субстанцию чрезвычайно чувствительной к влиянию хозяйственной деятельности человека [65]. Почвы являются не только важнейшим компонентом ландшафтов и природной среды в целом, но также основой социально-экономического развития человечества. Почвенный покров служит естественным базисом, на котором строится практически вся сельскохозяйственная деятельность, поставляющая населению основную массу продовольствия и значительную часть технического сырья для промышленности. [35, 66].
С деградации почвы начинается деградация ландшафта и всего "живого вещества" наполняющего биотопы ландшафтов. Почвы, по сути, представляют собой основу понятие "земельные ресурсы". Деградация почв всегда сопровождала сельскохозяйственную деятельность человека. Еще больший вред почвам наносила индустриальная деятельность человека, которая почти всегда просто-напросто уничтожала почвы [65]. Общая площадь разрушенных и деградированных за всю историю человечества почв составляет 20 млн км2, что значительно превышает всю пахотную площадь современного мира — 15 млн км2 [74]. Деградация почв проявляется в различных формах. Соотношение наиболее распространенных видов деградации почв (%) выглядит следующим образом: водная эрозия - 56; ветровая эрозия - 28; химическая деградация — 12; физическая деградация — 1 [69].
Эрозия почв обычно определяется как разрушение почв временными водными потоками и ветром, т.е. собственно водная и ветровая эрозия. Эрозия почв имеет серьезное негативное влияние не только на экономические параметры, но и на экологическую составляющую: снижение плодородия почвы влечет за собой уничтожение развития растительности и последующих трофических уровней; сносимая почва заиливает водоемы, создает запыленность воздуха [63, 65]. Ускоренная эрозия почв, когда процесс почвообразования запаздывает по отношению к эрозии, в наибольшей степени проявляется в местах добычи полезных ископаемых и при строительстве. Добыча полезных ископаемых открытым способом, проходка строительных котлованов, траншей для коммуникаций, дорожное строительство приводят не только к нарушению почвенного покрова, но и разрушают ландшафт в целом. При этом происходит перемещение, захоронение, уничтожение, загрязнение почв, нарушение гидрологического, гидрогеологического и гидрохимического режима, что влечет за собой изменение или разрушение биохимических циклов[43, 65].
На территории Московской области наиболее широко распространены почвы подзолистого типа и в меньшей степени серые лесные и черноземные почвы. Неоднородность рельефа, геологического строения, почвообразующих пород, определенное разнообразие климатических условий способствовали развитию в данном регионе и других почв: дерново-карбонатных, болотно-подзолистых, болотных, аллювиальных и других.
В почвенном покрове Московской области преобладающие дерново-подзолистые почвы имеют различный механический состав, обычно с невысоким естественным плодородием, что требует внесения удобрений и известкования. Эти почвы занимают более половины территории области. Далее по распространенности следуют болотно-подзолистые и серые лесные почвы. Небольшая часть территории на крайнем юге области, южнее р. Осетр, занята оподзоленными черноземами. В долинах рек преобладают аллювиальные почвы. На севере и востоке области, в районах Верхне-Волжской и Мещерской низменностей, почвы сплошь песчаные и супесчаные, заболоченные [131].
Подробное рассмотрение почвенного покрова Московского региона выполнялось с целью геоэкологической оценки сформированных природных ландшафтов и затем преобразованных вторичных природно-техногенных ландшафтов, особенно характерных в эпоху промышленной революции и развития строительства.
Земельные ресурсы. Площадь земель области на 01.01.03 г. составила 4579,9 тыс.га. По функциональному назначению преобладают земли лесного фонда (40,13%) и сельскохозяйственного назначения (38,15%), а также существенную долю территории (10,86 %) занимают земли поселений (табл. 1.1) [131].
Общая характеристика объекта натурных исследований и краткое описание проекта его рекультивации
Изучение геоэкологического состояния территории объекта исследования и его оценка в части инженерно-геологических условий была выполнена на основании архивных данных [27, 58, 59, 61], данных гидрометеорологической станции "Дмитров" [130] и результатов собственных исследований автора.
Объектом натурных исследований диссертационной работы был определен участок представленный территорией карьера песчано-гравийной смеси (ПГС) "Гурбан", который разрабатывался в период 1982 - 2000 г.г. Карьер, площадью 80 га, расположен в Дмитровском районе Московской области в 2 км восточнее н.п. Икша и в 1.8 км от канала им. Москвы. Ближайший населенный пункт - с. Игнатово, территория которого огибает карьер с северо-запада и удалена от него на западе - на 100 м, на севере - на 300 м. Географические координаты центра месторождения: 56 10 с.ш., 37 32 в.д.
Территория попадает во второй пояс зоны санитарной охраны источника питьевого водоснабжения г. Москвы.
В мае 2003 г., карьер представлял собой глубокую выемку с водоемом в южной части. Водоем образован вследствие вскрытия горно-добычными работами водоносного горизонта, глубина его достигает 7 метров, площадь 7.5 га. Высота бортов карьера достигает 31м, уклоны не проанализированы, однако отмечено наличие обширных участков с опасностью обрушения и развития эрозии - в первую очередь это отмечено для северной части карьера.
Поверхностные воды. Качество воды характеризуется по пробам (18.03.02) (число проб более шести, что позволяет их оценить статистически). Предельные концентрации (ПДК) превышены по железу, нитритам, бактериологическим показателям. Содержание тяжелых металлов и радионуклидов - в пределах нормы. Исследованиями донных отложений водоема установлено превышение ПДК по кадмию, свинцу - в 18-31 раз, никелю - в 4,5-5,8 раз, хрому - в 1,4 раза. Загрязнение донных отложений носит исключительно техногенный характер и связано с эксплуатацией карьера, т.к. никакие природные факторы такого рода загрязнений в данных условиях создать не могут.
Растительность и почвенный покров на территории карьера практически отсутствуют. Рекультивационные работы на объекте не проводились, отсутствуют также сведения о наличии резервов плодородного грунта, снятого при разработке карьера. Проект рекультивация карьера предполагает создание на его территории рекреационной зоны. Градостроительным обоснованием предусматривается организация многофункционального спортивного комплекса (рис. 2.1) с устройством следующих объектов: Спортинг-клуб с площадками для спортинга и тиром пулевой стрельбы (закрытым); Площадка стендовой стрельбы; Спортивный ландшафтный парк с площадками для игры в пейнтбол, беговыми и велосипедными дорожками, лыжными трассами, горноспортивными велосипедными и санными трассами, детскими спортивными и игровыми площадками, теннисными кортами в юго-восточной части комплекса; Водно-оздоровительный клуб с водно-ландшафтным комплексом традиционной рыбалки, лодочной станцией с пунктом проката, пляжной территории с водными аттракционами и площадками отдыха; Физкультурно-оздоровительный комплекс с плавательным бассейном; Русская баня в районе базы отдыха спортинг-клуба; Парк с павильонами и беседками на территории гостиничного комплекса. многофункционального спортивного комплекса в карьере "Гурбан". Озеленение проектируемой территории основывается на принципе формирования парковых массивов на основе существующих фрагментов насаждений, "кулисных" посадок деревьев, высаживания аллей вдоль проездных и пешеходных дорог, устройства "буферных" зеленых насаждений вокруг водозаборов, создания разделительных визуально-барьерных полос рощ и перелесков между всеми комплексами и группами зданий и сооружений с посадкой деревьев, кустарников, многолетних и однолетних цветов и трав. Предполагаемые градостроительным обоснованием мероприятия, учитывая ландшафтно-пространственную неоднородность данного места, должны обеспечить сохранение разнообразных пейзажных характеров ландшафта территории и комфортность проживания. Инженерно-геологические условия (как базовый геоэкологический фактор) участка изысканий, основными из которых являются: геологическое строение: соотношение в разрезе активной зоны различных генетических типов отложений; минеральный, гранулометрический, микроагрегатный, химический составы; физико-механические свойства; форма залегания и мощность отдельных грунтов (инженерно-геологических элементов ИГЭ) в разрезе; возможность проявлений техногенно обусловленных изменений, в составе, строении, состоянии грунтовой толщи; гидрогеологические условия: типы водоносных горизонтов; область их питания, распространения разгрузки; глубины залегания; мощность; напоры; химический состав подземных вод каждого из водоносных горизонтов; гидрогеологические параметры водовмещающих пород и водоупоров; режим подземных вод; возможность техногенно обусловленных изменений уровней и состава подземных вод; физико-геологические процессы: наличие или отсутствие опасных и неблагоприятных для строительства процессов, степень активности их проявлений и размеры пораженной ими площади, возможность активизации процессов при техногенном воздействии.
Разработка математической модели развития эрозионных процессов в их критическом состоянии
Целью предлагаемого метода является стабилизация существующих оврагов на аварийных северных склонах карьера и предотвращение появления новых оврагов с максимальным сохранением существующего, к началу рекультивационных работ, рельефа местности, как главного элемента вторичного ландшафта [87, 105].
Для осуществления организованного сбора поверхностных вод с площадей лежащих над аварийными склонами и предотвращения интенсивного образования новых оврагов в качестве главного способа было выбрано сооружение водосборных нагорных канав. Нагорные канавы были пройдены вдоль верхней кромки аварийных склонов на всем их протяжении. При этом для обеспечения необходимых уклонов канав максимально использовался существующий рельеф местности.
В связи с тем, что грунт, слагающий верхнюю часть склонов на большей их части, представлен песками средней крупности, а объем воды поступающий к нагорным канавам велик (в соответствии с проведенными расчетами), для предотвращения размывания бортов и дна канав было выполнено их укрепление геокомпозиционными экранами. В качестве матрицы в конструкции геокомпозиционных экранов были применены противоэрозионные геоматы Enkamat 7010 [108, 133], а в качестве наполнителя - слой плодородного грунта с семенами трав. Кроме этого, дно нагорных канав было дополнительно укреплено слоем щебня мелких фракций, мощностью 1.5-2 см.
Для максимального использования существующего рельефа, было принято решение использовать русла действующих оврагов для отведения потоков воды из нагорных канав к подножью склонов. Таким образом, нагорные канавы (за исключением одной, воду из которой, в соответствии с рельефом, можно было отвести, минуя поверхность склонов) были выведены в существующие овраги. Для предотвращения развития роста существующих оврагов, а также для отведения воды скапливающейся в нагорных канавах, был выполнен ряд мероприятий по противоэрозионной защите русел и бортов оврагов. Эти мероприятия подразделяются на две группы: 1-я — укрепление бортов оврагов (здесь воздействия водных потоков незначительно, поскольку сбор воды осуществляется лишь с площади самих бортов и ее количество сравнительно мало), 2-я - укрепление русловой части оврагов (эта часть оврагов подвержена воздействию мощных потоков воды). И в том и другом случаи были применены геокомпозиционные экраны. При этом составы наполнителей и технология их закрепления в структуре геокомпозиционных экранов для каждого из двух указанных выше случаев была выбрана различной
По данным, полученным в результате предварительных расчетов устойчивости геокомпозиционных экранов, выявлено, что для закрепления слоя плодородного грунта на бортах оврагов достаточно было уложить и закрепить на них противоэрозионные геоматы, а затем, в качестве наполнителя, уложить слой плодородного грунта с семенами трав. Это было обусловлено тем, что на устойчивость геокомпозиционной системы (противоэрозионный геомат + слой плодородного грунта с семенами трав) влияние оказывает лишь собственный вес системы. Воздействие же потоков воды не имеет значения ни для устойчивости геокомпозиционных экранов на поверхности бортов в целом, ни для эффективного закрепления слоя плодородного грунта в структуре противоэрозионных геоматов [109, 119]. Даже в случае образования на поверхности склонов, защищенных по данной технологии, струй воды, фактическая средняя скорость этих струй будет незначительно превышать значения критической скорости для данного грунта и даже может сформироваться процесс его выноса, то по мере углубления борозд и вскрытия структуры противоэрозионного мата процесс этого выноса постепенно будет затухать и прекратится. Это обусловлено тем, что площадь тормозящих поток поверхностей, определенных структурой, противоэрозионных геоматов Enkamat превышает площадь тормозящей поток поверхности грунта в 1.6-3.2 раза (в зависимости от толщины геомата). Это в свою очередь снижает фактическую среднюю скорость потока более чем в 2 раза. Кроме этого, при образовании борозд не возникает обрушения их бортов, что характерно для грунтов в свободном состоянии, поскольку слой плодородного грунта связан структурой геокомпозиционного материала.
В русловой части оврагов действие потоков воды наоборот носит определяющий характер для устойчивости геокомпозиционных экранов. Значения фактической средней скорости потока более чем в 10 раз превышают значения критической скорости потока для грунта и одних только особенностей структуры противоэрозионных матов недостаточно, для компенсации такой разницы в значениях скоростей. Поэтому, для предотвращения вымывания слоя плодородного грунта из структуры противоэрозионных матов и последующего размыва подстилающего грунта, было проведено дополнительное укрепление геокомпазиционных экранов. Для этого поверх противоэрозионных геоматов был отсыпан мелкий щебень фракции 2 — 6 мм слоем 1.5-2 см, а затем "вдавлен" в структуру Енкамата [113]. Предложенный размер фракции щебня обусловлен тем, что зерна именно такого размера лучше других удерживаются противоэрозионным матом на поверхности русла, за счет их оптимального заклинивания в структуре Енкамата. С целью увеличения сцепления минерального заполнителя с противоэрозионным матом, и тем самым увеличения значений критических скоростей, полученный геокомпозит был пропитан битумной эмульсией. После застывания битумная эмульсия значительно повышает адгезию минерального заполнителя и противоэрозионных геоматов. Кроме этого, ее незначительное количество способствует лучшей вегетации растений, выращиваемых на поверхности геокомпозиционных экранов.
Оценка результатов метеорологических наблюдений
Из полученных данных видно, что процесс образования поверхностного стока в период весеннего снеготаяния происходил фактически ежедневно. При этом значения фактических средних скоростей превышали значения критических скоростей для слагающих склоны песчаных грунтов. Это говорит о том, что в отсутствии закрепления оврагов геокомпозиционными экранами неизбежно бы начался процесс выноса частиц грунта, и вследствие этого произошло бы увеличение объема оврагов.
Данные факты получили косвенное подтверждение в результатах натурных наблюдений, а именно на склонах, незащищенных геокомпозитами, образовались небольшие струйные промоины. Это произошло, несмотря на то, что основная часть талой воды, собиравшейся с площадей, лежащих над склонами, улавливалась нагорными канавами и отводилась по руслам оврагов, минуя поверхность склонов. Таким образом, на склонах потоки образовывались лишь за счет таяния снега, лежащего непосредственно на них. Значения фактических средних скоростей данных потоков лишь незначительно превышали значения критических скоростей для слагающих склоны песчаных грунтов и во много раз уступали значениям фактических средних скоростей потоков, проходящих по руслам оврагов, тем не менее, промоины образовывались.
В свою очередь на поверхности оврагов, укрепленных геокомпозитами (как в их русловой части, так и на бортах) последствий действия процессов водной эрозии не было обнаружено. На рис. 4.17. показано, что промоины образовались лишь за границей плодородного грунта, закрепленного в структуре противоэрозионных матов, а на самом геокомпозите промоин нет.
Так же необходимо отметить, что в период образования наиболее интенсивных потоков (20 марта) произошел размыв поверхности конуса выноса расположенного при выходе из оврага № 1.
Следует отметить, что конусы выноса, расположенные при выходе из оврагов образовались в результате эрозионных процессов в период до укрепления оврагов геокомпозитами. В данный период они были устойчивы и не подвергались размыву, поскольку потоки, по мере их течения по руслу оврага, теряли свою силу за счет инфильтрации песчаных грунтов слагающих склоны, и на конусах происходило оседание вымытых выше по течению частиц.
После укрепления оврагов геокомпозитами потери за счет инфильтрации уменьшились. Это связано с тем, что в состав геокомпозитов входит плодородный почво-грунт, инфильтрационная способность которого значительно ниже, чем у песчаного грунта, слагающего склоны. Дополнительное снижение инфильтрации произошло за счет промерзания грунта в зимний период. Вышеизложенные факторы, привели к тому, что объем воды поступающей из русла оврага на поверхность конуса выноса увеличился. Это в свою очередь, наряду с тем, что конус выноса при выходе из оврага №1 имел наибольший угол заложения среди других конусов, привело к увеличению значения фактической средней скорости потока, и как следствие к промыву поверхности конуса. При образовании промоины у нижней границы противоэрозионных матов произошло обрушение грунта, находящегося под геокомпозитом. В результате этого под матами образовалось пустое пространство, создавшее необходимые условия для развития эрозионных процессов. Таким образом, образование промоины у нижней границы геокомпозиционной системы привело к частичному обрушению укрепленной поверхности оврага №1. С целью предотвращения дальнейшего разрушения оврага, при проведении ремонтных работ, укрепленное геокомпозитом русло было продлено до подножья конуса выноса. Нижний край противоэрозионных матов был заглублен в грунт на 1 м. Это было сделано на тот случай, чтобы при возможном образовании новых промоин не происходило вымывания грунта из под противоэрозионных матов, влекущее обрушение геокомпозиционных экранов. Также, для снижения фактической средней скорости потока, путем его рассеивания, нижняя часть русла была присыпана слоем крупных камней (диаметром более 150 мм). А на поверхность самого русла был уложен дополнительный слой щебня фракции 5-20 мм. Последнее, что следует отметить за данный период наблюдений, то, что в результате снеготаяния возобновились интенсивные процессы оврагообразования на нижнем, незащищенном геокомпозитами, ярусе северных склонов. Последний, четвертый период второго этапа наблюдений (с момента завершения процесса весеннего снеготаяния и до окончания годичного цикла наблюдений) был охарактеризован рядом факторов, влияющих на эрозионные процессы и протекающих на поверхности склонов карьера. В первую очередь, среди данных факторов, определены: процесс образования поверхностного стока; процесс появления и развития растительного покрова на защищенных участках склонов; процессы, протекающие под воздействием ветра и гравитации. По данным метеорологических наблюдений были выявлены дни, в которые количество выпавших атмосферных осадков превысило значение инфильтрации для грунтов, образующих поверхность водосбора, что и привело к образованию поверхностного стока. На основании данных наблюдений и произведенных расчетов были получены значения фактических средних скоростей потоков за период наблюдений (данные приведены в табл. 4.5.).
