Лекции для студентов

Инженерная подготовка городских территорий — Инженерная подготовка территорий с оползневыми явлениями

Инженерная подготовка территорий с оползневыми явлениями

Изучение оползневых явлений, оценка устойчивости склонов и проектирование противооползневых сооружений — актуальнейшие задачи, стоящие перед отечественными и зарубежными специалистами при градостроительном освоении территорий. Мировая практика знает примеры, когда размеры экономического и морального ущерба, наносимого оползнями, были соизмеримы с последствиями катастроф, связанных с сильнейшими землетрясениями и вулканическими извержениями.

Так, например, в октябре 1963 г. на высоком берегу водохранилища Вайонт в Северной Италии произошел один из самых разрушительный оползень за всю историю Европы — объемом около 0,25 км³. Оползень сошел в водохранилище и образовал волну, которая поднялась на 260 м вверх по противоположному склону долины. Волна перехлестнула через плотину и устремилась вниз по долине. В результате было разрушено пять селений и погибло более 2000 человек.

Целесообразность градостроительного освоения территорий с потенциально возможными и действующими оползнями должна быть тщательно обоснована с учетом соответствующих нормативных ограничений. Обычно при планировке города по возможности стремятся не размещать здания и инженерные сооружения на территориях, непосредственно прилегающих к оползневым склонам, или удаляют их на безопасное расстояние от его бровки, предусматривая одновременно комплекс защитных мер. Вместе с тем следует учитывать, что в ряде случаев крайне нежелательно отказываться от ценных в градостроительном отношении территорий с оползневыми явлениями. Например, территорий, расположенных вдоль морских побережий или крупных рек, особенно при наличии на них существующих зданий, автомобильных дорог и других инженерных сооружений. В таких случаях оползневые территории осваивают и даже включают в селитебную зону города, предусматривая ее комплексную защиту.

При инженерной подготовке территорий с оползнями решают задачи стабилизации потенциально опасных и уже подверженных обрушению склонов. Противооползневые меры предусматривают на основе тщательного анализа природной ситуации, в результате которого выявляют причины развития процесса и его характер. Большое значение при этом имеет своевременный прогноз возможных границ распространения оползня, потенциальной глубины и скорости смещения грунта, а также других параметров, определяющих выбор защитных сооружений, и возможность безопасного размещения застройки на прилегающей территории.

Причины образования и характеристика оползней

Оползневые процессы характерны скользящим смещением части горных пород, слагающих склон без потери контакта между смещающейся и неподвижной частями (рис. 39, а). Для возникновения и развития оползня необходимы определенные условия, среди которых основными являются крутизна и форма склона, геологическое строение пород, гидрогеологическая и гидрологическая обстановка.

Рис. 39. Схема развития оползней:

1 — поверхность склона после оползня; 2 — положение склона до оползня; 3 — сметающиеся части склона — тело оползня; 4 — поверхность скольжения

При прочих равных условиях наиболее подвержены оползневым явлениям крутые склоны, имеющие выпуклую или нависающую конфигурацию, а наиболее типичными оползневыми породами являются глинистые, сопротивление сдвигу которых очень чувствительно к изменению влажности. Оползни часто образуются на участках наклонного залегания слоев с падением их в сторону склона (рис. 39 б), а также при выдавливании глин вышележащими породами (схема в).

В подавляющем большинстве случаев оползни расположены у берегов водоемов, водохранилищ и рек, мест выхода подземных вод на поверхность, где возникают условия нарушения предельного равновесия склона. Оно может быть нарушено в результате дополнительных воздействий, которые являются следствием природных процессов или деятельности человека. К ним относятся: изменение крутизны склона, воздействие грунтовых и поверхностных вод, выветривание, сотрясения, мерзлотные воздействия, вибрация, дополнительные нагрузки на склон, уничтожение на нем растительности.

Механизм этих воздействий при образовании оползневого процесса проявляется в трех направлениях. Первое — изменение внешней формы и высоты склона, приводящее к перераспределению сдвигающих и удерживающих сил на нем. Второе — изменение строения и физико-механических свойств пород. Третье — создание дополнительного давления на слои, слагающие склон.

Процессы, ведущие к изменению внешней формы и крутизны склона, могут быть связаны с колебаниями базиса эрозии рек, оврагов, разрушающей работой волн и воды, подрезкой склонов искусственными выемками. Изменения строения и физико-механических свойств пород вызываются процессами выветривания дождевыми, талыми и хозяйственными водами, смещением пород, выщелачиванием из них водорастворимых солей, выносом частиц текущей водой с образованием в породе пустот и пор.

Дополнительное давление на породы, слагающие склон, может возникнуть из-за гидродинамического давления при фильтрации воды в сторону склона, гидростатического давления в трещинах и порах породы. Оно может быть вызвано искусственными статическими и динамическими нагрузками на склон и сейсмическими явлениями.

Возникновение оползней в каждом конкретном случае может быть результатом влияния отдельных из вышеперечисленных воздействий или их сочетанием. Для выявления причин возникновения оползней и механизма разрушения склона помимо традиционных инженерно-геологических изысканий используют измерительные приборы и сигнализирующие автоматические устройства. Первые позволяют получить подробную информацию об оползневом процессе как в самом начале его возникновения, так и на стадии полного развития, а вторые — сигнализируют о внезапно возникших внешних изменениях, которые могут вызвать подвижки грунта.

При проведении комплекса инженерных мероприятий их состав определяют на основе анализа причин, вызывающих оползневой процесс, учитывая характер и скорость движения, тип слагающих пород, глубину расположения поверхности скольжения и ее форму, активность процесса и другие характеристики.

По характеру поверхности скольжения выделяют три типа оползней.

Первый тип — асеквентные, которые развиваются обычно в однородных связных грунтах и имеют криволинейную цилиндрическую поверхность скольжения, положение которой зависит от величины сил трения и сцепления. Классический оползень с правильной круглоцилиндрической поверхностью смещения сравнительно редок, поскольку естественные склоны, как правило, неоднородны, чаще всего они имеют сложное строение. Оползни описываемого типа характерны для искусственных склонов, например в дамбах или дорожных насыпях. Движение оползня может быть прогрессирующим, т. е. первоначально сдвиг может произойти не сразу по всей поверхности смещения, а развиваться постепенно, начиная с участка локального разрушения. Если поверхность смещения у нижней границы оползня наклонена в глубь массива, то смещение оползня может остановиться, так как момент сдвигающей силы во время движения уменьшается.

Второй тип — консеквентные оползни, для которых характерно смещение по поверхности напластования, падающей вниз по склону. Поверхность смещения при этом плоская или слабоволнистая, а ее положение предопределено строением склона. Движение этого типа оползней определяется наличием структурно ослабленных поверхностей, таких, как тектонические разрывы, трещины, напластования, и изменениями в сопротивлении сдвигу различных осадочных пород или на контакте прочных коренных и рыхлых пород. В отличие от предыдущего типа консеквентный оползень может неограниченно развиваться, если поверхность его смещения достаточно крутая и более или менее постоянная сдвигающая сила превышает сопротивление сдвигу.

К третьему типу относят инсеквентные оползни, которые секут поверхность напластования и простираются глубоко в склон. Здесь поверхность смещения, как правило, имеет сложное криволинейное очертание, ее положение определяется характером грунтов, слагающих толщу, и особенностями напластования пород.

С точки зрения проведения защитных мероприятий скорость движения оползней является важнейшей их особенностью.

По скорости оползни подразделяют на два типа, принципиально отличающихся друг от друга: постепенно или мгновенно оползающие. Скорость движения постепенно оползающих может быть от быстрой до крайне медленной; в этом случае еще до крупной подвижки можно заметить изменение рельефа и перекос сооружений и принять предупредительные меры:

Характеристика движения Скорость

Крайне быстрое ........ 3 м/с

Очень быстрое ........ 0,3 м/мин

Быстрое ......... 1,5 м/сут

Умеренное ......... 1,5 м/мес

Медленное ......... 1,5 м/год

Очень медленное ....... 0,06 м/год

Крайне медленное ....... менее 0,06 м/год

Второй тип характеризуется мгновенным перемещением тела оползня с очень и крайне быстрой скоростью. Защита от таких оползней сложна и здесь большое значение имеет заблаговременный прогноз потенциально возможных смещений.

По глубине захвата склона выделяют мелкие (поверхностные) оползни и глубокие. Поверхность скольжения мелких оползней располагается в зоне сезонных колебаний влажности и температуры, а глубоких проходит в основном ниже этой зоны.

В зависимости от механизма смещения выделяют оползни скольжения, течения и смешанного движения.

Первая группа — это оползни, смещение которых происходит по типу вращения, скольжения по плоской поверхности или при выдавливании. В оползнях выдавливания основной особенностью является разуплотнение, движение, обусловленное появлением трещин сдвига и растяжения. Такие оползни могут развиваться как в скальных, так и в глинистых грунтах.

Оползни выдавливания в скальных породах происходят чаще всего вблизи горных хребтов и характеризуются отсутствием видимой и четко выраженной поверхности смещения или зоны пластических деформаций. Они могут сопровождаться образованием трещин и разуплотнением скальных грунтов в связи с пластическим течением в подстилающем слое. Вышележащие блоки прочных пород оседают, консеквентно скользя, могут вращаться и разрушаться. Протяженность этих оползней вдоль склона значительна и они образуют крупные уступы шириной от нескольких до многих километров. Скорость движения их в большинстве случаев крайне медленная.

В нескальных грунтах, особенно в «чувствительных» глинах, оползни выдавливания образуются как на крутых, так и пологих склонах.

Как правило, это результат потери большей части сопротивления сдвигу в связи с нарушением структуры глин и их разрыхлением.

Разрушение начинается обычно на локальном участке и распространяется дальше. Нередко вначале появляется оползень вращения, приуроченный к берегу реки или моря, далее оползень развивается регрессивно в глубь склона. Основное движение представляет собой чаще всего консеквентное скольжение, а не вращение. Когда нижележащая подвижная зона мощна, фронтальные блоки могут осесть, а у подошвы склона появится выдавленный вверх грунт. Обычно движение начинается внезапно, без заметных симптомов, с большой или очень большой скоростью.

Если смещаются рыхлые наносы или разрыхленные массы, то этот тип гравитационного смещения называют осовом, он характеризуется чаще всего большой скоростью соскальзывания и сопровождается аккумуляцией у подножья обломочных пород (осыпей).

Еще одной разновидностью оползней являются сплывы, которые образуются в результате водонасыщения верхних слоев толщи, обычно в весенний период года. Образованию оползней-сплывов предшествует возникновение оползней-сдвигов верхнего слоя на отдельных участках.

Промежуточным типом оползней скольжения являются оползни-обвалы, представляющие собой смешение земляных масс по типу скольжения и обвала. В отличие от истинных оползней здесь в месте обвала происходит потеря контакта между смещающимся и неподвижным слоем грунта.

Ко второй группе относят оползни-потоки, смещение которых происходит за счет течения грунтов, обусловленного их свойствами. Они возникают в глинах, тонких илах и глинистых песках, у которых сопротивление сдвигу при разрыхлении в условиях постоянного водонасыщения уменьшается. Для таких оползней-потоков мокрого течения характерна большая скорость смещения.

Оползни-потоки с медленным смещением возникают в относительно сухих пластических глинах, а в определенных условиях и в сухих песчаных пылеватых грунтах.

В третью группу входят оползни, имеющие сложный механизм смещения, включающий совокупность тех или иных рассмотренных вариантов смещения.

В зависимости от активности оползневого процесса выделяют действующие и недействующие оползни.

Действующие оползни имеют свежие и ярко выраженные, несглаженные эрозией формы поверхности. Деревья на склонах, затронутые такими оползнями, отклоняются от их первоначального положения («пьяный лес»).

Недействующие затухшие оползни обычно покрыты растительностью и нарушены процессами эрозии так, что следы последнего движения трудноразличимы. Но движение может возобновиться, если факторы, приводящие к возникновению оползня, продолжают существовать.

Следует иметь в виду, что огромное многообразие оползневых явлений обусловливает многочисленность их классификаций, поэтому выше приведены лишь те, которые в значительной мере оказывают влияние на выбор и обоснование основных инженерных мероприятий по стабилизации оползневых склонов. Вместе с тем в зависимости от региональных условий каждый тип оползня данного района обладает специфическими особенностями, которые необходимо принимать во внимание при проектировании.