Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геоэкологический обзор и классификация оползневых процессов на территории Кабардино-Балкарской Республики 9
1.1. Краткий геоморфологический обзор оползневых склонов 9
1.2. Гидрологические, гидрогеологические и климатические условия для возникновения оползневых процессов . 16
1.3. Оползни, вызываемые антропогенными процессами 35
1.4. Характеристика оползневых образований на склонах республики 45
1.5. Классификация оползневых явлений 54
Выводы 65
Глава 2. Оползень как результат экзогенной геологической деятельности на определенном пространстве массива горных пород 66
2.1. Определение понятия «оползень» 66
2.2. Механизм оползневого процесса и стадии движения 73
2.3. Составные части оползня 79
2.4. .Факторы, влияющие на возникновение оползня 83
2.5. Признаки неустойчивого состояния и оценка степени устойчивости оползневых склонов 84
Выводы 87
Глава 3. Логически-структурная схема мониторинга типового оползневого массива для прогнозирования его поведения во времени и пространстве 89
Выводы 101
Глава 4. Литомониторинг локального оползневого массива под охраняемым архитектурным комплексом на горе Малая Кизиловка 102
4.1. Основные сведения оползневого процесса 102
4.2. Динамика и причины оползневой активности 103
4.3. Физико-географические условия 116
4.3.1. Рельеф зоны оползня 116
43.2. Гидрография природных водотоков , 120
4.3.3. Климатические характеристики района оползня. ...120
4.4. Геолого-литологическое строение и гидрогеологические условия 124
4.4.1. Геологическое строение 124
4.4.2. Литологическое строение.. 127
4.4.3. Гидрогеологические условия 132
4.5. Физико-механические свойства пород 133
Выводы 136
Глава 5. Основные причины нарушения устойчивости оползневого склона и противооползневые мероприятия 137
5.1. Значение расчетных методов при анализе оползневых явлений 137
5.2. Анализ основных методов расчета устойчивости оползневых склонов 142
5.3. Расчет устойчивости оползневого склона на горе Малая Кизиловка 162
5.4. Мероприятия по укреплению фундамента главного здания архитектурного комплекса .163
5.5. Прогноз оползней и противооползневые мероприятия. 173
Заключение 177
Литература 178
Приложения 186
- Гидрологические, гидрогеологические и климатические условия для возникновения оползневых процессов
- Механизм оползневого процесса и стадии движения
- Динамика и причины оползневой активности
- Значение расчетных методов при анализе оползневых явлений
Введение к работе
Общая характеристика работы
В конце XX в. и начале XXI в. охрана окружающей среды стала одной из острых, глобальных проблем современности.
Охрана окружающей среды, в том числе и литосферы, означает систему государственных и общественных мероприятий, обеспечивающих сохранение природной среды, пригодной для жизнедеятельности нынешнего и будущих поколений [79].
Государственная стратегия действий Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития руководствовалась документами Конференции ООН по окружающей среде и развитию.
Основные положения государственной стратегии РФ по охране окружающей среды и обеспечению развития изложены в приложении к Указу Президента РФ №236 от 04.02.1994 г. В рамках этого Указа во всех регионах России в 1995 г. проведены научно-практические семинары по моделям устойчивого развития.
В Кабардино-Балкарии (составной части Южного Федерального округа) при разработке модели устойчивого развития особое внимание уделялось вопросам сохранения литосферы от вредного воздействия экзогенных геологических процессов (ЭГП) (особенно оползневых процессов, русловых стоков и др.) [75, 77].
Достаточно отметить, что активизация оползневых процессов способствовала возникновению катастрофических селевых потоков в районе города Тырныауза в июле 2000 г. (по оценке отдельных специалистов, объем вынесенной горной массы превышал 4 млн. м3). В 2002 г. негативные последствия ЭГП проявились в небывалых паводках и увеличении частоты оползневых явлений в отдельных районах республики.
Сказанное выше говорит об актуальности исследований оползневых процессов в республике для разработки обобщенной логически-структурной
схемы мониторинга оползневых процессов во времени и пространстве и для принятия технических решений, направленных на сохранение литосферы как части окружающей среды.
Актуальность исследования оползневых массивов горных пород на территории КБР предопределяет необходимость теоретических обобщений терминологической базы, механизма оползневого процесса, классификацию оползневых массивов, разработку логически-структурной схемы мониторинга оползней во времени и пространстве на основе экспериментальных исследований и анализа существующих методов изучения ЭГП этой направленности.
Существенный вклад в разработку теоретических основ изучения устойчивости массивов горных пород, склонных к оползневым явлениям, внесли А.П. Павлов, Ф.П. Саваренский, профессора, доктора наук П.Н. Панюков, A.M. Гальперин, И.И. Попов, В.Н. Попов, В.А. Букринский М.Е. Певзнер, Н.А. Цытович, В.И. Стрельцов, Н.Н. Маслов и др.
Цель диссертационной работы - разработать логически-структурную схему мониторинга оползневых массивов горных пород на основе предложенной классификации оползней с детальным исследованием типичного локального оползня под охраняемым архитектурным сооружением.
Основная идея работы заключается в разработке на основании комплексных исследований методики построения изоморфной горногеометрической модели оползневого массива, количественно учитывающей геологические, геоморфологические, гидрологические, климатические и геомеханические показатели в формализованном (натуральном) виде и позволяющей прогнозировать поведение массива во времени и пространстве.
Методическую основу исследований составляет комплексный подход к проблеме анализа и обработки исходной информации о поведении массива горных пород, включающей сбор и анализ полевых наблюдений, горногеометрические построения, учитывающие геомеханические показатели во
геомеханические показатели во времени и пространстве с учетом возможного антропогенного воздействия на исследуемый участок литосферы.
Объектами исследований явились характерные массивные и локальные оползни на территории КБР.
Автором защищаются следующие основные научные положения:
Геологическая и геоморфологическая неоднородность пространственно разобщенных массивов горных пород и существенные различия механизма оползневых процессов позволяют разработать классификацию оползневых массивов Кабардино-Балкарии.
С учетом многофакторности показателей, определяющих поведение массива в пространстве, разработана обобщенная логически-структурная схема мониторинга массива во времени и пространстве, комплексно учитывающая основные аспекты динамики массива в определенной части литосферы.
Методика прогнозирования поведения оползневого массива на базе логической увязки основных структурных аспектов предложенной схемы.
Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, обоснованы анализом существующих методов изучения оползневых массивов, использованием фундаментальных положений геологии, геоморфологии, механики массива горных пород, экспериментальными наблюдениями как основой горно-геометрического моделирования, обобщением производственного опыта изучения массивов горных пород и превентивных мер защиты литосферы на территории КБР от вредного воздействия ЭГП.
Научная новизна проведенных исследований состоит в том, что в диссертационной работе дано теоретическое обобщение фондового материала и экспериментальных данных, позволившее:
разработать классификацию оползневых массивов на территории КБР;
логически обосновать многоаспектную структурную схему мониторинга оползневых массивов горных пород во времени и пространстве;
разработать динамическую горно-геометрическую модель локального оползневого массива с оценкой устойчивости для принятия последующих инженерных решений при его рекультивации.
Одновременно с частичной реализацией предложенной схемы разработаны методы оперативной топографической съемки разноскоростных оползневых процессов с использованием светодальномеров и лазерных дальномеров.
Практическая ценность результатов исследований заключается в том, что использование комплексного метода мониторинга позволяет рассматривать его как специальную ГИС при изучении ЭГП и принятии инженерных решений для защиты литосферы от вредного влияния ЭГП и антропогенного воздействия.
Результаты исследований докладывались и одобрены на ежегодных экологических конференциях (ЭКО-1, ЭКО-2); научно-технических конференциях КБГСХА; рекомендованы ряду профильных организаций, занимающихся исследованием ЭГП (ВГИ, Управлению природных ресурсов по КБР, МЧС); используются в учебном процессе в КБГСХА при подготовке специалистов по всем специальностям направления «Природообустройство» при чтении курсов «Геология и гидрогеология», «Физическая география».
Публикации. Основные положения диссертационной работы освещались в 9 публикациях, список которых прилагается.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 201 страницу машинописного текста, включая 88 рисунков, 9
8 таблиц и 15 страниц приложений. Список литературы содержит 98 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю проф., д.т.н. Тимофеенко Е.П. за многолетнюю помощь, ценные советы и внимание к работе; геологу Миковой Н.К. за консультацию и оказанную помощь при использовании архивного материала.
Гидрологические, гидрогеологические и климатические условия для возникновения оползневых процессов
В бассейне Кавказских гор достаточно развиты подземные воды с выходами родников на поверхность, а также области покровно-потоковых вод, насыщающих дисперсные отложения. Подземные воды выщелачивают и вымывают отдельные минералы, образуя пустоты и ослабляя связи между выше и нижележащими слоями пород. Вода, смачивая поверхность глинистых пород, делает ее скользкой, что способствует движению поверхностных масс горных пород. Поверхностные воды, пропитывая рыхлые и полурыхлые массы, ослабляют внутренние связи их и вызывают частичное перемещение в виде вязких или жидких потоков вниз по склону (оплывины, сели, оползни-потоки) [79].
Наиболее крупные оползни установлены на склонах бассейна реки Кардан, в среднем течении рек Джунгусу (0) , Кекташ {J , Актопрак @ и на левом борту реки Чегем (на дороге Чегем-2 - Булунгу) в створе устья ручья Быкмылги @ (см. рис. 1.1). По механизму движения - это оползни-блоки, переходящие в оползни-потоки [45]. Причиной их активизации являются подземные воды, насыщающие прослои трещиноватых аргиллитов и снижающие их сопротивление сдвигу до критических значений. В годы с максимальной суммой осадков оползневые массы подпруживают реку Чегем и дают предпосылки к формированию крупного селя. Заболоченные оползни и их потоки надолго выводят из эксплуатации выпасы, угрожают кошарам и дорогам.
Иногда, особенно на крутых уступах, оползневые тела представляют собой результат многократного сплывания верхних горизонтов. Нередко насыщение водой доходит до такой степени, что образуются грязевые потоки. Такого генезиса, например, были селевые потоки в 1936 г. по реке Шыки-су и в 1977 г. по реке Кишлык-су (бассейн реки Черек Хуламский) [43]. Горный рельеф Кавказа и большое количество осадков в его пределах обусловили формирование густой, причудливо разветвляющейся речной сети. Незамерзающие горные реки имеют быстрое течение и резкое колебание стока, подчас даже в течение суток. Такие мощные потоки производят большую разрушительную эрозию берегов (рис. 1.4). Вследствие уноса водой части оползневого материала увеличивается крутизна склона. Поскольку материал, находящийся у основания склона, играет важную роль в поддержании стабилизации всего склона, удаление этого материала приводит к неустойчивости. Движение обычно развивается постепенно, но может и резко ускориться в период высокого наводнения или в результате сильного дождя. Если оползание происходит таким путем, то обычно обнаруживается, что в районе обрушение склонов случалось многократно. Материал обрушения временно укрепляет склон, но затем он размывается, повторно возникает неустойчивость, обусловливающая новое оползание обломочного материала. Области с таким механизмом разрушения склонов легко узнаваемы. Уступы, в которых при оползании рыхлого материала обнажаются нижележащие породи, имеют свежий вид и не согласуются с общим наклоном поверхности [94].
В речных долинах, где у основания береговых уступов или обрывов идет постоянный эрозионный процесс, развиваются оползни с умеренной скоростью. Примером таких оползней являются Верхнебалкарские, развивающиеся в аллювиальных, моренных и делювиальных отложениях на обоих бортах долины реки Черек в окрестностях села Верхняя Балкария, а также оползни в верховьях реки Чегем. Размеры их составляют от 500 м2 до 0,5 км .
В результате подмыва крутых, почти отвесных берегов аллювиальных террас реками происходит смещение оползневых масс, уносимых водой (рис. 1.5). По механизму смещения - это оползни сдвига и скольжения. В этом случае, скольжение происходит, вероятно, по глинистым или супесчаным прослоям в аллювиальной валунно-галечниковой толще [43].
Эрозия в долинах рек развивается гораздо быстрее после проливных дождей (рис. 1.6). При концентрации дождевого стока в руслах происходит вымывание значительного объема материала и обрушение неустойчивых обвально-оползневых склонов. Примером могут служить оползни левобережного склона ручья Сагаевского (Q) (см. рис. 1.1), притока реки Баксан. Крутизна склона составляет 45 - 60 [24]. Характерной особенностью поверхностной геометрии ручья является его обширный конус выноса площадью 0,7 км2, сложенный отложениями древних и современных селей. Левый склон, представленный древнейшими метаморфическими породами протерозоя (кристаллическими сланцами с прослоями гнейсов и амфиболитов), покрыт мощным плащом четвертичных отложений, в составе заполнителя которых преобладает суглинистая мелкодисперсная фракция. Оползни являются очагами селей Сагаевского ручья (рис. 1.7).
Потоками воды в береговых склонах рек могут быть вымыты промоины, которые расчленяют оползневое тело на отдельные блоки, уменьшая устойчивость склонов. Так, в стенке дороги Бабугент - Верхняя Балкария в 4 км от села Верхняя Балкария вымыты промоины длиной до нескольких десятков метров и глубиной 5 - 7 м. Оползневое тело, расчлененное на блоки шириной до 2 - 5 м, длиной до 20 - 30 м, высотой до 10 - 15 м, имеет общую протяженность по трассе дороги 700 м. Смещение каждого блока крупнообломочных пород может полностью засыпать полотно дороги.
К активизации оползневых процессов приводит сезонное переувлажнение оползневых масс за счет частых и продолжительных дождей или интенсивного таяния ледников. Из-за обильных осадков в весенне-летний период (реже осенний) наблюдались неоднократные смещения оползневых масс в разных районах Кабардино-Балкарии. Как показал анализ карты годового хода температур и осадков (рис. 1.8) пик высоких температур и осадков приходится именно на это время года.
Механизм оползневого процесса и стадии движения
Что движется (массы горных пород; земляные массы; горные породы, слагающие склон; часть геологической среды; массы пород; горных пород); 2.Терминология движения (движение; скольжение; перемещение; скользящее смещение; сползание; смещение; оползание; течение). 3.Особенности движения (без потери контакта; по смоченному водой водоупорному слою; вдоль...поверхностей). 4.Направление движения (на более низкий гипсометрический уровень; вниз). 5.Место движения (по склону; по откосу; на склонах). б.Деформация движущихся пород (отрыв; механическое разрушение; течение пород склона; течение пород основания; разрушение; сдвиг; трещины отрыва на границах движущейся массы; сохранение внутреннего единства структуры). 7.Движущие силы и факторы (силы тяоісести; поверхностные воды; подземные воды; масса; гидродинамическое давление; сейсмичность и др.). Приведенные определения значительно отличаются друг от друга не только количеством признаков, но и их качеством. Общеизвестно, что к склоновым процессам принадлежат не только оползни, но и обвалы, осовы, крипы, сели, курумы, глубинная ползучесть и др. Поэтому вышеизложенные признаки характерны почти для всех гравитационных процессов, т. к. представляют собой перемещение «масс горных пород» (земляных, рыхлых, скальных и пр.). Чтобы выявить существенные признаки оползня, проведем анализ слов и словосочетаний и выберем наиболее выразительные и удачные определения оползня. Из всех выражений, обозначающих предмет движения, наиболее удачным для оползней представлено словосочетание «горные породы, слагающие склон» [23, 57, 63]. Лаконичные понятия «масса пород» [9], «горных масс» [53] или «масса горных пород» [34, 54] недостаточно альтернативны к понятиям «осов», «курум», которые представляют собой по существу также «массу горных пород». Понятие «земляные массы» [5, 11, 37,] неконкретно, особенно для глубоких оползней, представляющих собой движение крупных блоков горных пород. Понятие «часть геологической среды» [32] слишком объемное для того, чтобы оно было использовано в определении одного из склонового движения, происходящего в геологической среде. Из второй группы признаков наиболее широкими понятиями являются «движение» [10, 54] и «склоновое движение» [9], которые применимы ко всем процессам. Наиболее узкое понятие - «смещение» [2, 5, 17, 18, 23, 37] в виде «скользящего движения» [18, 23]. Этим понятием не охватываются все оползни или некоторые стадии их развития, например, оползни «выдавливания» с характерным для них пластическим течением, подстилающих оползневое тело, пород основания и пассивным перемещением оползневых блоков совместно с пластичными грунтами. В данном случае вряд ли можно говорить только о «скользящем движении». Поэтому наиболее удачным в этой группе признаков является «смещение». Третья группа признаков состоит из 2-х понятий. Для определения оползня принимаем первое понятие «без потери контакта», хотя оно характерно и для других процессов, но необходимо в сочетании с другими сущностными признаками. Четвертый признак является излишним, т. к. все гравитационные процессы происходят вниз по склону и вряд ли здесь нужны указания. Пятым признаком пренебрегаем, т. к. оползень представляет собой разновидность склоновых процессов и вне склонов и откосов не бывает. Из шестой группы признаков самым лаконичным является понятие «отрыв», а уместным — «трещины отрыва на границах движущейся массы...». Эти признаки характерны только для оползневых процессов всех типов. Именно отрыв, вернее даже отделение с образованием трещины закола, а затем и уступа вдоль этой трещины - самый убедительный признак оползня, позволяющий отличить его от самых близких склоновых движений, происходящих без потери контакта с неподвижными породами, т. е. от таких процессов, как глубинная ползучесть, крип. У последних нет типичных стенок срывов. Более того, появление трещины закола и стенки срыва -убедительное свидетельство о моменте трансформации упомянутых процессов в оползневые. Что касается седьмой группы признаков, то, рассматривая группу гравитационных процессов, можно назвать лишь одну движущую силу — силу тяжести, заключенную в собственной массе горных пород. В результате проведенного анализа определений оползней, выявились три существенных признака, достаточные для формулирования научного определения оползня («смещение», «без потери контакта», и «отрыв» или «трещина отрыва») [52]. Таким образом, мы считаем, что наиболее ёмким с точки зрения физики горных пород, устойчивости массива горных пород и изменения физических и горно-технических показателей под воздействием экзогенных процессов является следующее определение понятия «оползень». Оползень - это процесс смещения массива горных пород, отделившегося от склона с образованием стенки отрыва и сохранением связи с ним. В данном определении видовым признаком является «образование стенки отрыва», а родовым - «сохранение материальной связи со средой». Наличие стенки отрыва позволяет отличить оползень от глубинной и поверхностной ползучести. Родовой признак характерен не только для оползней, но он резко отличает оползни от обвалов и осыпей. Этот признак представляет не только особенность смещения, но и подчеркивает сохранение связи оползневого тела с другими условиями среды, например с гидрогеологическими [52]. Известны следующие три определения понятия «механизм» в широком смысле: 1) «устройство для передачи и преобразования движений»; 2) «система тел, в которой движение одного или нескольких тел вызывает движение остальных тел системы»; 3) «совокупность промежуточных состояний и процессов, которые претерпевают какое-либо физическое, химическое и т. п. явления» [64]. Данные определения отличаются друг от друга уровнем абстракции, а значит, областью распространения и применения [52]. Первое определение охватывает предметы, сконструированные человеком. Второе определение может быть полезным при выяснении механизма оползневых процессов. Наиболее общим является третье.
В работах ведущих оползневедов страны приводилось именно третье определение. Так, в материалах специальной дискуссии о механизме оползневого процесса ПИ. Тер-Степанян и Е.П. Емельянова сформулировали основные положения почти одинаково [16]. Авторы считают, что механизм — это последовательность или совокупность промежуточных состояний и элементарных процессов, посредством которых оползень переходит из одного состояния в другое и тем самым осуществляется протекание оползневого процесса. Емельянова Е.П. предлагает две категории факторов, определяющих механизм оползневого процесса:
Динамика и причины оползневой активности
В 1970 г. на горе Малая Кизиловка было начато строительство архитектурного комплекса «Сосруко». Строительство началось с планировки площади застройки.
Вся вершина горы была срезана. Срезанный грунт не вывезли, а переместили на западный склон горы, где покоился древний оползень. Часть деревьев в голове оползня засыпали срезанным грунтом. По окончании строительства на образовавшемся отвале у главного здания архитектурного комплекса была построена смотровая площадка. Для лучшего обзора зоны отдыха курорта "и города Нальчика деревья с тела древнего оползня вырубили, нарушив жесткую естественную опору.
К маю 1973 г. архитектурный комплекс «Сосруко» (рис. 4.1) сдали в эксплуатацию, а через 1,5 месяца, т.е. в июне 1973 г., начался осов под смотровой площадкой отвала насыпных грунтов и активизировался древний оползень.
Активизация оползня произошла в верхней части склона вследствие давления сверху насыпных грунтов. Образовались трещины «закола». Оторвавшийся и двигающийся массив толкал впереди себя по склону срезанные массы рыхлых пород. Бровка срыва располагалась в 3 - 4 ЛІ от фундамента главного здания. У подножья оползня образовались бугры выпирания. Крутизна склона на рассматриваемом участке достигает 33. Активная оползневая зона тяготеет к голове оползня. Смещение оползневых накоплений произошло по кривой динамической поверхности, форма и направление которой зависит от величины сопротивления пород сдвигу и конфигурации склона. По классификации А.П. Павлова оползень отнесен нами к детрузивным. По классификации Ф. П. Саваренского оползень асеквентный, проходящий в однородных (неслоистых) породах [61].
В 1974 г. очередное развитие оползня проявилось в увеличении, по сравнению с 1973 г., трещин разрыва и объема сместившейся массы.
Оползневой массив увеличился в размерах за счет образования к югу и к северу новых подвижек.,Вскрытая максимальная мощность составляет от 7,0 ЛІ до 11,5 лг. Очередные оползневые образования имели в плане асимметричную форму с размерами в южной части (10x3) м, в северной — (22,5 х 5) м и примыкали к основному оползневому телу. Однако в 50 м к северу от оползневого цирка у верхней станции канатной дороги сформировался новый оползень, проявившийся в смещении средней части склона в нескольких местах (рис. 4.2,4.3). Общие размеры этого оползня в 3 -4 раза меньше изучаемого.
Верхняя часть склона у станции канатной дороги не была затронута подвижками. В центральной же части оползневого цирка движение оползня проявилось в увеличении трещины скольжения (рис. 4.4) с опусканием нижнего плеча и обнажением зеркал скольжения (рис. 4.5). Это явление было характерно и для бортов оползня (рис. 4.6, 4.7).
Смещение оползневого тела происходило неравномерно; на материнском оползне создались активные зоны, образовались оползневые ступени (рис. 4.8). Стенка срыва у основания главного здания не претерпела существенных изменений во времени изысканий, проведенных в 1973 году. Крутизна стенки сохранилась прежняя (рис. 4.9, 4.10). Некоторая активность движения наблюдалась по стенке срыва у правого борта оползня (рис. 4.11); опускание нижнего плеча трещины увеличилось до 1,0 м. У основания оползня дальнейшее движение проявилось в появлении серии новых трещин раскрытия (рис. 4.12) и продвижении вала выпирания (рис. 4.13).
Пятым признаком пренебрегаем, т. к. оползень представляет собой разновидность склоновых процессов и вне склонов и откосов не бывает. Из шестой группы признаков самым лаконичным является понятие «отрыв», а уместным — «трещины отрыва на границах движущейся массы...». Эти признаки характерны только для оползневых процессов всех типов. Именно отрыв, вернее даже отделение с образованием трещины закола, а затем и уступа вдоль этой трещины - самый убедительный признак оползня, позволяющий отличить его от самых близких склоновых движений, происходящих без потери контакта с неподвижными породами, т. е. от таких процессов, как глубинная ползучесть, крип. У последних нет типичных стенок срывов. Более того, появление трещины закола и стенки срыва -убедительное свидетельство о моменте трансформации упомянутых процессов в оползневые. Что касается седьмой группы признаков, то, рассматривая группу гравитационных процессов, можно назвать лишь одну движущую силу — силу тяжести, заключенную в собственной массе горных пород. В результате проведенного анализа определений оползней, выявились три существенных признака, достаточные для формулирования научного определения оползня («смещение», «без потери контакта», и «отрыв» или «трещина отрыва») [52]. Таким образом, мы считаем, что наиболее ёмким с точки зрения физики горных пород, устойчивости массива горных пород и изменения физических и горно-технических показателей под воздействием экзогенных процессов является следующее определение понятия «оползень». Оползень - это процесс смещения массива горных пород, отделившегося от склона с образованием стенки отрыва и сохранением связи с ним. В данном определении видовым признаком является «образование стенки отрыва», а родовым - «сохранение материальной связи со средой». Наличие стенки отрыва позволяет отличить оползень от глубинной и поверхностной ползучести. Родовой признак характерен не только для оползней, но он резко отличает оползни от обвалов и осыпей. Этот признак представляет не только особенность смещения, но и подчеркивает сохранение связи оползневого тела с другими условиями среды, например с гидрогеологическими [52]. Известны следующие три определения понятия «механизм» в широком смысле: 1) «устройство для передачи и преобразования движений»; 2) «система тел, в которой движение одного или нескольких тел вызывает движение остальных тел системы»; 3) «совокупность промежуточных состояний и процессов, которые претерпевают какое-либо физическое, химическое и т. п. явления» [64]. Данные определения отличаются друг от друга уровнем абстракции, а значит, областью распространения и применения [52]. Первое определение охватывает предметы, сконструированные человеком. Второе определение может быть полезным при выяснении механизма оползневых процессов. Наиболее общим является третье.
Значение расчетных методов при анализе оползневых явлений
Изучение оползневых явлений имеет более двухсотлетнюю историю. С конца XVIH в. среди исследователей этих процессов было немало и наших соотечественников. Важные материалы по оползням приводил в описаниях своих «Путешествий по разным провинциям Государства Российского» в 1763 - 1788 гг., 1793 г. и 1794 г. академик П.С. Паллас. Большое число работ середины XIX в. посвящается одесским оползням (журнал «Иллюстрация» 1848 г.; работы Смелякова, 1852 г.; работы Завадского, 1865 г.). В 1873 -1875 гг. становятся известными работы проф. В.И. Меллера и горного инженера Шельтинга. На участке «Батраки» Московско-Казанской железной дороги возникли большие трудности в связи с мощным развитием на волжском склоне оползней. Исследователи не только описывают оползни в своей «Пояснительной записке к проекту укрепления оплывин...», но и сообщают о проведенных работах на косогоре, дают заключение о причинах оползней и свои рекомендации по обеспечению устойчивости железнодорожного полотна на данном участке. Здесь проводились буровые работы по выявлению положения поверхности скольжения и наблюдения за режимом подземных вод. Таким образом, в «Пояснительной записке» есть все элементы современного инженерно-геологического обследования оползневых участков, за исключением лабораторных исследований и расчетных приемов. Свыше 50 лет продолжалась научная работа профессора Н.Ф. Погребова в области исследования оползневых явлений, которым были организованы первые оползневые станции, сыгравшие значительную роль в изучении оползневых явлений, связанных с теми или иными районами нашей страны. В 1978 г. вышла в свет работа замечательного русского геолога и
138 почвоведа В.В. Докучаева: Способы образования речных долин Европейской России». Эта работа дала теоретическое обоснование для многих последующих исследований русских инженеров-геологов, особенно при строительстве железных дорог и мостовых переходов. К этому же периоду относятся работы И.Ф. Леваковского (оползни в Крыму), К.М. Феофилактова (оползни и обвалы в Киеве), М. Данилова, А. Петлина, Е. Зенкевича, Я. Щегреня, А. Штукенберга и О .Р. Стецевича (оползни на железных дорогах), В.В. Докучаева («Современные образования: провалы, пустоты и т.д. в Нижегородской губернии. Овраги и их значения»), Д.Ф. Жаринцева («О причинах обвалов обрывистого берега в окрестностях города Одессы и о мерах, которые необходимо принять для предупреждения обрушения берега у одесского электрического маяка») и др. [38].
Особенностью всех исследователей того времени являлось их стремление не только ограничиться описанием оползневых процессов, но и дать объяснение о причинах возникновения этих процессов, а также найти более эффективный путь по обеспечению устойчивости массивов и сооружений на- них. Однако в работах, посвященных оползням, прослеживался только метод аналогии без учета конкретных условий, что во многих случаях приводило к неудачам: слишком велико разнообразие местной природной обстановки, грунтов и их свойств, условий их залегания, а также гидрогеологического режима всей рассматриваемой толщи грунтов.
Возникла необходимость пересмотра этого метода решения оползневых задач/ В этом плане академик А.П. Павлов стал автором новой постановки решения их, впервые выдвинув вопрос о необходимости количественной оценки устойчивости оползневых склонов, т.е. использовать расчетные методы.
Начало разработки этих, методов было положено еще Франсэ (Франция, 1820 г.), впервые использовавшего известное выражение Кулона (Франция, 1773 г.) для описания сопротивляемости песков сдвигу в зависимости от нагрузки. Кулон ввел понятие о линии скольжения и разработал метод, основанный на предположении о прямолинейности линии скольжения. На этом же предположении основывались методы, предложенные де Сазийи (1851 г.), Винклером (1872 г.) и Кульманом (1886 г.).
Все упомянутые методы, не имея глубокого математического обоснования, давали вполне приемлемые, по тем временам, результаты.
Вторая половина XIX в. ознаменовалась началом разработки математических основ теории устойчивости склонов и откосов. Первые работы в этом направлении принадлежат Ренкину (1857 г.). Делая допущения о том, что в каждой точке массива выполняются условия прочности Кулона, ему удалось решить задачу о предельном равновесии бесконечного массива, ограниченного наклонной плоскостью скольжения. В 1903 г. Кеттером была выдвинута система уравнений предельного равновесия грунтовых масс, однако, общее решение этой системы ему найти не удалось.
Круглоцилиндрическая поверхность скольжения была впервые введена в расчет Коленом (Франция, 1846 г.) и в последующем Петерсоном и Хультином (1916 г.) при исследовании причин разрушения набережной в Гетеборге. На основании данных бурения были изучены формы поверхности скольжения по многим оползням. В большинстве случаев было установлено, что поверхность скольжения близка к правильной цилиндрической поверхности. Этот вывод впоследствии был положен в основу метода расчета, предложенного В. Феллениусом (1926 г.) [83], использовался в различных вариантах многими учеными, в том числе К. Терцаги [70, 71].
В своей работе В. Феллениус дает удобный график для определения углов откосов при заданной их высоте, а также указывает пути нахождения линии возможного скольжения. Для грунтов без трения (только со сцеплением), она находится из условия минимума коэффициента запаса. Аналогичную задачу для грунтов с трением В. Феллениусу решить не удалось, и он предложил в подобном случае искать положение линии скольжения методом подбора. Следует отметить, что указанная задача была решена лишь в 1954 г, Б.М. Ломидзе [33].
С нарастающим объемом нашего гидротехнического, транспортного и промышленного строительства, а также с ростом числа открытых глубоких разработок месторождений полезных ископаемых необходимость в выполнении оползневых прогнозов, а также в использовании противооползневых мероприятий многократно возросла. При этом обнаружилось, что прогнозы по известным расчетным методам во многих случаях оказывались несостоятельными, а запроектированные противооползневые мероприятия - неэффективными или просто недействительными по причине несовершенных расчетных схем, математических моделей и т. д. Такое положение не могло не сказаться пессимистически на взглядах многих специалистов в области механики грунтов, в том числе самых видных.
