Тема 14

Схилові процеси. геологічні процеси, викликані зміною напруженого стану гірських порід

 

Одним із найважливіших завдань інженерно-геологічних вишукувань практично для всіх видів будівництва є оцінка стійкості схилів, стінок кар'єрів, будівельних виїмок і розробка заходів щодо їхнього закріплення.

З будівельної практики добре відомо, що під дією ряду причин значні маси гірських порід, що складають схил, можуть втрачати стійкість і зміщуватися вниз на більш низький рівень. Виникають такі небезпечні геологічні процеси, як зсуви, обвали, осипи, а при зсуві й обваленні снігових мас – снігові лавини.

 

14.1. Зсуви

Зсуви – це зміщення мас гірських порід вниз по схилу під дією гравітаційних сил і при активній участі поверхневих і підземних вод. На відміну від обвалів втрати контакту між масою, що зміщається, і нерухливими підстилаючими породами не відбувається. Під зсувом розуміють не тільки процес зсуву земляних мас, але й саме зсувне тіло, як форму рельєфу.

Зсуви не тільки порушують стійкість масивів гірських порід, але й негативно впливають на багато інших компонентів геологічного середовища (порушення поверхневого стоку, виснаження ресурсів підземних вод при їхньому розкритті, утворення заболочених місцевостей, порушення ґрунтового покриву й ін.).

Причини утворення зсувів можуть бути природними і техногенними (пов'язані з діяльністю людини). До основних причин виникнення зсувів відносять:

·                   зміна зовнішньої форми й висоти схилу, що приводить до перерозподілу зміщуючих і утримуючих сил на ньому (підрізування схилів штучними виїмками, коливання базисів ерозії рік, ярів, підмивання берегового схилу рікою або морем і ін.);

·                   зміна складу, стану й фізико-механічних властивостей гірських порід (надмірне зволоження їх підземними, дощовими, талими й господарськими водами, вивітрювання, вилуговування з них водорозчинних солей, суфозійний винос тонких часток і ін.);

·                   додатковий тиск на схил (сейсмічні впливи, вібрація, штучні статичні й динамічні навантаження, гідродинамічний тиск при фільтрації підземних вод убік схилу й ін.).

За умовами утворення розрізняють природні зсувні процеси на схилах гір, річкових долин, берегах морів, водоймищ і техногенні зсуви, викликані діяльністю людини (підрізування схилів, навантаження, вібрація, зсуви бортів великих кар'єрів і розрізів і ін.).

Принципи оцінки стійкості зсувонебезпечного схилу. До зсувонебезпечних варто відносити схили, на яких відбуваються або відбувалися раніше зсувні процеси. До потенційно зсувонебезпечних відносять схили, на яких можливий розвиток зазначених процесів при впливі природних і техногенних факторів.

Достовірний прогноз стійкості зсувного схилу може бути зроблений лише після детальних інженерно-геологічних досліджень, що включають вивчення геолого-гідрогеологічних, геоморфологічних і сейсмічних особливостей району будівництва, складу, стану й властивостей порід, стаціонарні спостереження за зсувними рухами (по поверхневих і глибинних реперах) і режимом підземних вод, обстеження наявних деформацій будівель і споруд, пошуки аналогів зсувів на прилягаючій території із установленням їхніх причин і ін.

На підставі отриманих матеріалів досліджень встановлюють короткострокові й довгострокові прогнози стійкості схилів.

Протизсувні споруди й заходи. Зсуви являють собою складний процес, що залежить від багатьох факторів, тому боротьба з ними повинна бути комплексною. По своєму характеру протизсувні заходи поділяють на профілактичні й активні (інженерні). Основна вимога до комплексу протизсувних заходів зводиться до необхідності забезпечити коефіцієнт стійкості схилу не нижче заданого його значення на заданий строк для всіх можливих видів його стійкості.

Профілактичні (або охоронно-обмежувальні) заходи мають своєю метою: регулювання поверхневого стоку з метою запобігання зайвого зволоження схилу (різні нагірні канави, лотки, вали, улаштування водовідвідної мережі); зміцнення схилів і укосів за допомогою агролісомеліоративних заходів (посів трав, посадка спеціальних сортів дерев і чагарників); запобігання підрізування схилів; заборона проведення підривних робіт і улаштування відвалів поблизу зсувних ділянок; обмеження швидкості руху поїздів на зсувонебезпечних схилах і т.д.

Активні заходи – це улаштування інженерних споруд і застосування інших радикальних заходів, з метою усунення причин, що викликають зсувні процеси. Активні заходи можна розділити на наступні групи: 1) зміна обрису й перебудова схилів і укосів (випологування схилу шляхом зрізання верхньої його частини й зменшення крутості); 2) механічне втримання земляних мас, що оповзають, (підпірні стіни, пальові ряди, палі-шпонки, контрфорси й ін.); 3) захист берегів від абразії, переробки в результаті хвильового впливу (берегоукріплення, улаштування поперечних бун, хвилеломів і інших захисних споруд, що запобігають підмивши схилів); 4) дренування прилягаючої території й тіла зсуву (постійне осушення й зниження рівня, перехоплення підземних вод до їхнього виклинцьовування на схилі за допомогою трубчастих і галерейних дренажів і ін.); 5) закріплення ґрунтів методами технічної меліорації (цементація, силікатизація, термічний випал, електрохімічний і інший способи).

 

14.2. Обвали й осипи

Обвали – раптове обвалення великих мас гірських порід з перекиданням і дробленням у результаті відриву від корінного масиву. Обвальні нагромадження біля підніжжя крутих та стрімчастих схилів являють собою безладне накопичення брил, щебенів, жорстви з неоднорідним піщано-глинистим заповнювачем.

Обвали – часте явище практично у всіх гірських країнах. Особливо широко вони розвинені у високогірних областях з високою сейсмічною й підвищеною тектонічною активністю. Різновидом обвалу є каменепади – обвалення окремих брил скельних порід зі стрімких схилів.

Обвали приурочені до найрізноманітніших порід – від скельних до пухких уламкових. Об’єм обвальних накопичень може коливатися від невеликого (до 100 м³) до грандіозного (більше 1 млн м³).

На ділянках можливого розвитку обвалів створюється постійна небезпека для життя людей та нормальної експлуатації споруд. Найбільший збиток обвали наносять різним лінійним спорудам, у першу чергу автомобільним дорогам та залізницям.

Обвали нерідко загачують ріки, утворюючи глибокі високогірні озера, наприклад, озеро Синевір в Карпатах.

Найголовнішою передумовою розвитку обвалу є достатня крутість схилу або стінки кар'єру. На пологих схилах обвали, як відомо, не утворяться. Основні причини утворення обвалів пов'язані з ослабленням внутрішніх зв'язків і сил внутрішнього зчеплення під впливом вивітрювання, зволоження, підмивання, а також сейсмічних поштовхів, підривних робіт і інших факторів.

Провісниками обвалів є відвалення окремих брил (каменепад), періодично повторюваний тріск, розширення існуючих і поява нових тріщин, поява джерел та ін. При інженерно-геологічних вишукуваннях овалонебезпечних районів цим ознакам приділяють достатню увагу, тому що вони дозволяють виділити потенційно нестійкі ділянки схилів.

Боротьба з обвалами, особливо великими, представляє складне завдання. Будівництво на обвалонебезпечних ділянках дуже небезпечне й вимагає застосування як профілактичних, так і інженерних заходів захисту.

Профілактичні (або охоронно-обмежувальні) заходи включають заборону в обвалонебезпечних районах проведення земляних і особливо підривних робіт, заборону неорганізованого скидання поверхневих вод, штучного обвалення виступів і нависаючих блоків скельних порід за допомогою динамітних зарядів малої потужності (невірно розрахований по силі вибух може сам викликати великий обвал). Для попередження обвалів і каменепадів застосовують також тампонаж і цементацію тріщинуватих порід, покриття укосів металевою сіткою й т.д. Необхідна організація спеціальної служби спостереження й контролю за стійкістю обвалонебезпечних схилів і своєчасне оповіщення з метою попередження аварій.

До інженерних заходів відносять будівництво тунелів і протиобвальних галерей для забезпечення безпеки дорожнього руху, зведення різних підпірних і лицювальних стін, контрфорсів і ін.

В особливо складних інженерно-геологічних умовах доцільне проектування нової траси дороги в обхід обвалонебезпечної ділянки.

Осипи – геологічний процес, пов'язаний із гравітаційним переміщенням вниз по схилу дрібних уламків, що утворюються при фізичному вивітрюванні гірських порід. Під терміном „осипу” розуміють також: 1) скупчення маси дрібноуламкового й піщано-глинистого матеріалу й пологовипуклі форми рельєфу біля підніжжя схилу.

Потужність осипів різна: від декількох метрів на схилах до десятків метрів біля підніжжя у зоні накопичення. У цій частині гірського схилу осипи нерідко замикаються із суміжними осипами, утворюючи шлейф значної потужності й довжини.

На ділянках розвитку осипів виділяють області живлення, переміщення й накопичення дрібноуламкового й пухкого піщано-глинистого матеріалу. Швидкість руху осипів незначна: від декількох сантиметрів до 0,5-0,8 м у рік.

Основні умови розвитку осипів: крутість схилів (> 30°) і наявність гірських порід, що легко піддаються вивітрюванню. Характерною рисою осипів є їхня рухливість. У зв’язку з цим, осипи поділяють на рухливі („живі”), досить рухливі, слаборухливі або загасаючі і відносно нерухливі.

Перші два типи осипів відносять до діючих. Звичайно це пухка, неущільнена маса уламків, характерна для схилів крутістю більше 45°. На загасаючих ущільнених осипах починає розвиватися рослинність. Відносно нерухливі осипи повністю задерновані, покриті чагарниковою рослинністю або заліснені.

Рухливість осипів може збільшитися (або відновитися) при сейсмічних поштовхах, підрізуванні або підмиванні нижньої частини схилу, при динамічних впливах у ході будівельних робіт і т.д.

У процесі інженерно-геологічних вишукувань у районах розвитку осипів вивчають геолого-гідрогеологічні умови, форму й крутість схилу, склад, стан і фізико-механічні властивості корінних порід і колювію, тобто порід, які утворюються при формуванні осипів і ін.

Для запобігання осипів варто застосовувати різні захисні заходи: в якості профілактики – посадка рослинності для зниження інтенсивності вивітрювання, розчищення малих осипів, заборона підрізування схилів, а також динамічних впливів у ході будівельних робіт, планувальні роботи, закріплення схилів накидними сітками й ін.

Інженерні заходи застосовують для захисту від засипання гірських шосейних доріг та інших споруд. До складу цих робіт входять: будівництво в нижній частині схилів контрфорсів і підпірних стін, терасування схилів, улаштування дренажів, лотків і труб для відводу води, зведення захисних козирків над дорогами, галерей і ін.

 

14.3. Снігові лавини

Сніговими лавинами називають раптові обвалення великих мас снігу, що падають або зсковзують із гірських схилів. Особливо характерні вони для високогірних районів з різко контрастним рельєфом.

Основними причинами виникнення снігових лавин є: тривалі й рясні снігопади й заметілі (70% всіх лавин обумовлені снігопадами), перекристалізація снігу, тривалі дощі в горах, весняне сніготанення й ін. Крутість схилів при цьому повинна бути не менше 20° і не більше 45°, тому що на більш крутих схилах сніг не затримується. Причиною розвитку снігових лавин в сейсмічних районах можуть бути сильні землетруси.

За характером руху розрізняють лоткові лавини (рух по балках і інших поглибленнях на схилі), схилові (відрив і рух по всій поверхні схилу) і стрибаючі лавини (вільне падіння зі стрімких ділянок схилів). Ділянка схилу, на якому утворюється, рухається й зупиняється лавина, називають лавинозбором. У його структурі виділяють три зони: живлення, транзиту й накопичення (конус виносу).

Лавини поділяють також на сухі, у вигляді розпиленого тіла і мокрі (у вигляді суцільного тіла). Швидкість руху сухих лавин досягає 400 км/год. Саме вони мають найбільшу руйнівну дію – ламають стовбури дерев, деформують кам'яні споруди й т.д. Перед фронтом сухих лавин іде повітряна хвиля, викликана їхнім падінням і володіюча досить значною ударною силою. Лавини мокрі – сповзаючі маси вологого снігу, що тане, рухаються повільніше й наносять менше руйнування.

При інженерно-геологічних вишукуваннях у гірських районах визначають лавинонебезпечні ділянки, встановлюють границі й шляхи сходу лавин, їхню повторюваність, строки початку й закінчення лавинонебезпечного періоду, прогнозують стійкість мас снігу на схилі.

Для інженерного захисту території, будівель і споруд від снігових лавин застосовують профілактичні й інженерні заходи (лавинопопереджуючі й лавинозахисні).

До профілактичних заходів відносять терасування схилів і посадку дерев (заліснення схилів), регульований (профілактичний) спуск лавин шляхом вибухів, обстрілу гірських схилів у малонаселених районах, підпилювання снігових карнизів і ін.

Інженерні заходи включають створення лавинопопереджуючих (заборів, стін, щитів, ґрат, сніговидуваючих панелей і ін.) і лавинозахисних споруд для гальмування або зупинки лавини (дамби, траншеї й ін.) і для пропуску лавин над об'єктом або під ним (галереї, естакади, навіси й ін.).

У лавинонебезпечних районах варто створювати спеціальні служби спостереження, прогнозу й оповіщення. За їхніми даними може бути припинений доступ людей у лавинонебезпечні зони на час спуску лавин і в необхідних випадках організована евакуація людей.

 

14.4. Зрушення гірських порід на підроблюваних територіях

Підроблювані території – це ділянки землі з наявністю великих підземних порожнеч, що викликані гірничотехнічною і будівельною діяльністю. Процес порушення природної рівноваги вищележачих шарів порід, їхнє деформування й зсув убік виробленого простору називається зрушенням гірських порід.

На поверхні землі цей процес часто супроводжується утворенням чашоподібних западин – мульд. Зрушення гірських порід характеризується також появою великих тріщин на поверхні землі, іноді шириною до 2,0 м, провальних лійок до 10 м глибиною й іншими деформаціями.

Осідання земної поверхні в процесі формування мульд, тобто коритоподібних знижень, розміри яких у плані перевищують розміри виробленого простору, відбувається разом зі спорудами, які перебувають на ньому, що може приводити до їхніх деформацій. Зокрема, значні деформації будівель і споруд фіксуються при утворенні мульд уздовж трас метрополітенів, а також при підземній розробці вугільних шарів.

Розміри зони небезпечного впливу підземних виробок, величина й характер деформації, а також тривалість процесу зрушення гірських порід і осідання земної поверхні залежать від: 1) розмірів виробленого простору; 2) геологічних умов – характеру чергування, складу, будови й властивостей гірських порід; 3) гірничотехнічних умов (швидкості проходки підземної виробки й виїмки відпрацьованого матеріалу, способів кріплення покрівлі) і від інших факторів.

Як приклад розглянемо зрушення гірських порід при розробці вугільних шарів.

При видобутку вугілля навколо очисної виробки виділяються наступні форми зрушення: 1) зона обвалення, що безпосередньо прилягає до виробленого простору; 2) зона прогину нашарувань товщі порід убік виробленого простору із тріщинами й розшаруванням порід і 3) зона плавного прогину шарів порід. У випадку значних розмірів виробленого простору ця зона швидко досягає земної поверхні, утворюючи мульду осідання (зрушення). Її виникнення часто супроводжується провалами й іншими порушеннями цілісності масиву гірських порід.

Характер розвитку провальних лійок і інших деформацій земної поверхні визначається кутом падіння, потужністю й глибиною залягання розроблювальних вугільних шарів.

Величина прогину поверхні землі в межах мульди осідання неоднакова й коливається від 0,1 до 0,9 т (де т – потужність розроблювального шару).

Тривалість процесу зрушення гірських порід і земної поверхні може бути досить значною – до багатьох років. Процес зрушення вважається інтенсивним, якщо його швидкість перевищує 30 мм на місяць при крутому падінні шарів і 50 мм на місяць при пологому й похилому заляганні. Зрушення гірських порід може відбуватися не тільки в період експлуатації шахти, але й після її закінчення, тому що із часом несуча здатність кріплення й порід помітно знижується.

Трохи інший характер розвитку процесу зрушення гірських порід відзначається уздовж підземних трас метрополітенів, тунелів і інших підземних лінійних споруд. Геодезичні спостереження за осіданнями поверхні над трасами метрополітенів фіксують утворення лінійно витягнутих мульд осідання шириною від 50 до 300 м і глибиною до 1,0 м, в окремих випадках до декількох метрів. Всі вони повторюють контури станцій метрополітенів і тунелів.

Будівництво на підроблюваних територіях. Проектування й будівництво будівель, споруд і прокладка інженерних комунікацій на підроблюваних територіях повинно проводитися із застосуванням будівельно-конструктивних і гірських заходів захисту, що забезпечують збереження об'єктів як при будівництві, так і при експлуатації.

Як будівельно-конструктивні заходи захисту варто застосовувати: 1) планувальні заходи; 2) улаштування деформаційних швів у фундаментах і стінах; 3) підвищення міцності несучих конструкцій і пристосування їх до нерівномірних осідань; 4) укладання трубопроводів на піщану основу, підвищення їхньої піддатливості за рахунок застосування компенсаторів, винос трубопроводів на поверхню й ін.; 5) використання високоякісних будівельних матеріалів.

У тих випадках, коли застосування одних тільки будівельно-конструктивних заходів недостатньо для забезпечення надійної експлуатації підроблюваних будівель і споруд, треба призначати гірські заходи захисту. Як гірські заходи захисту передбачають: 1) повну або часткову закладку виробленого простору; 2) розробку шарів з розривом у часі й 3) неповну виїмку корисних копалин по площі й потужності.

 

14.5. Осідання земної поверхні під впливом тривалих відкачок води й нафти

У певних геологічних умовах тривалий інтенсифікований відбір підземних вод з надр Землі може привести до значних вертикальних деформацій поверхні, а точніше, до її осідання.

Причина осідання полягає в тому, що тривала й інтенсивна відкачка води приводить не тільки до значного зниження рівня води й зняття гідростатичного напору, але й до збільшення ефективного тиску на скелет дисперсного ґрунту, його ущільнення й, як наслідок, до осідання поверхні землі.

У зв'язку із тривалим витягом великих мас води в період відкачки змінюється не тільки внутріпластовий тиск, але й напружений стан масиву порід. У деяких випадках це може приводити не тільки до осідання земної поверхні, але й до утворення провально-суфозійних деформацій.

Накопичений досвід експлуатації найбільших водозаборів підземних вод свідчить про необхідність проведення спеціальних інженерно-геологічних досліджень у зоні їхнього впливу. Установлено, що осідання земної поверхні нерідко супроводжується підтопленням і заболоченням території, деформаціями будівель і споруд інженерних комунікацій і ін.

Вперше осідання земної поверхні, у зв'язку з інтенсивними відкачками підземних вод було зареєстровано в японських містах Токіо, Осака й Ніагата в 30-х рр. минулого сторіччя. До 60-х рр. максимальний сумарний відбір підземних вод тільки в м. Токіо перевищив 600 тис. м³/доб, а загальне зниження напорів склало більше 150 м. В 1975 р. максимальна величина зниження поверхні землі в цьому місті досягла 4,0 м. У результаті частина міста виявилося нижче рівня моря, і для її захисту треба було зведення 200 км захисних дамб.

Катастрофічних розмірів осідання земної поверхні досягло в столиці Мексики – м. Мехіко, де його північно-східна частина опустилася на 9 м. Місто розташоване в міжгірній улоговині, у геологічній будові якої переважають слабоущільнені монтморилонітові глини озерного походження, що перешаровуються з водоносними пісками, мулами й іншими пухкими породами.

У результаті багаторічних відкачок підземних вод у районі однієї із золотодобувних шахт у Південній Африці утворилася величезна депресійна лійка. У її центрі рівень води був знижений на 450 м, на відстані 15 км від шахти – на 50 м. У цьому районі відзначене повсюдне осідання земної поверхні за рахунок ущільнення дисперсних ґрунтів.

Швидкість осідання земної поверхні коливається від 10-20 мм/рік до 500 мм/рік (м. Мехіко). Обов'язковими умовами розвитку цього процесу є: 1) тривалий інтенсивний відбір підземних вод і 2) наявність добре водопроникних слабоущільнених піщано-глинистих відкладів, мулів, сапропелів і інших пухких осадових порід.

Другою за значенням причиною осідання земної поверхні є видобуток з надр землі нафти. Ці процеси одержали поширення в деяких районах, розташованих поблизу нафтових і газових промислів. Опускання поверхні землі на нафтопромислах Апшеронського півострова склало 2,5 м за 50 років. Подібні явища спостерігалися у Венесуелі (3,3 м за 30 років), у м. Лонг-Бічі (США) і в інших районах світу. Відновлення тиску в нафтоносних шарах дозволило призупинити осідання.

Заходи, що попереджають появу й розвиток у період відкачок підземних вод осідання земної поверхні, зводяться, в основному, до регулювання кількості води, що відбирається. Наприклад, у Японії діє закон «Правило (контроль) відбору підземних вод», що забороняє надмірний водовідбір. Практикується також нагнітання у водоносні шари стисненого повітря для підтримки й відновлення пластового тиску.