Оползни. Прогнозирование оползней причины и решения
 Скачать 144.65 Kb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» Физико-технический институт Кафедра «Природная и техносферная безопасность» Реферат на тему: «Прогнозирование оползней: причины и решения» Выполнил: студент группы бТХНБ-31 Грачев А.Л. Проверил: к.ф.- м.н., доцент кафедры ПМиСА Федорова О.С. Саратов 2018 Содержание Введение Цель работы состоит в ознакомлении с сущностью этого явления, в выявлении причин его возникновения, в установлении экологических последствий и влияний на хозяйственную деятельность человека, а также возможные меры борьбы или управления данным явлением. Оползни, т.е. крупное смещение земляных масс, связано с деятельностью подземных и поверхностных вод и другими факторами. Они развиваются на крутых береговых склонах оврагов, долин рек, озер и морей. Поскольку оползни не только изменяют форму рельефа, но и наносят непоправимый вред народному хозяйству и жизнедеятельности человека, они нуждаются в более глубоком изучении, для устранения негативных последствий.
Оползнями называют скользящее смещение масс горных пород вниз по склону под влиянием силы тяжести. Импульсом к началу такого смещения обычно служит выпадение необычно обильных дождей или быстрое таяние снежного покрова, вызывающее избыточное поступление воды в водопроницаемые толщи, а также сейсмические толчки. В горах оползневые процессы происходят при переувлажнении рыхлых отложений, залегающих на крутых склонах. На равнинах образование оползней обусловлено наличием глинистых водоупорных слоев, располагающихся наклонно в стороны речной долины, глубокого оврага или к крутому берегу моря. Такое залегание пород создает механически неравновесные условия для грунтовых масс, находящихся над водоупорным слоем. Поверхность этого слоя при избыточном увлажнении становится скользкой, прочность сцепления водоупорной поверхности и вышезалегающей грунтовой толщи ослабевает и в тот момент, когда сила сцепления водоносного слоя с залегающей выше толщей становится меньше силы тяжести этой толщи, начинается скольжение отдельных блоков грунта по наклонной поверхности водоупора. Крупные оползни с глубоким смещением горных пород вызывают значительные изменения в очертаниях береговых склонов и придают им особые формы. Простейший случай оползневого склона представлен на рисунке 1. Пунктиром указано первоначальное положение крутого берегового склона. После оползня он принял совсем иную форму, представленную сплошной линией. Во всяком оползневом склоне можно выделить отдельные основные элементы.  Рис. 1. Схема оползневого склона 1- первоначальное положение склона, 2- ненарушенный склон, 3- оползневое тело, 4 - поверхность скольжения, 5- тыловой шов, 6 - надоползневой уступ, 7 - подошва оползня, 8- источник Поверхность скольжения часто имеет на себе следы полировки или штриховки, вызванные трением пород друг о друга при сползании. Такую полировку часто называют зеркалами скольжения. Сместившиеся горные породы, располагающиеся в нижней части склона, называются оползневыми накоплениями, или оползневым телом. Верхняя, более крутая часть склона, расположенная выше оползневого тела, называется надоползневым уступом. Оползневое тело в поперечном разрезе обычно выражено в виде террасовидной ступени, часто запрокинутой в сторону ненарушенной оставшейся части склона и называемой оползневой террасой. Поверхность такой террасы чаще всего неправильно бугристая, иногда же более или менее выровнена. Место сопряжения оползневого тела с надоползневым уступом, выраженное иногда понижением в рельефе, называется тыловым швом оползня. Она может располагаться на различных уровнях в зависимости от состава горных пород, слагающих склон, и характера оползневых смещений. В большинстве случаев она находится у подошвы склона, иногда выше его, но местами опускается значительно ниже, уходя даже под уровень воды реки или моря. Часто оползневое тело представляет собой серию блоков, соскользнувших вниз под влиянием собственного веса.  Рис. 2. Схема сложного оползня (по Е.В. Шанцеру) Дл - деляпсивная часть оползня; Дт - детрузивная часть оползня; Бв - бугор выпирания; Обт - оползневые брекчии трения; Обо - отложенные оползневые брекчии оползня поточного типа; I- крупноблоковые оползни первой стадии; II- малые блоковые оползни второй стадии; III- поточный оползень третьей стадии. При этом в блоках сохраняется последовательность слоев и только наблюдается их запрокидывание в сторону ненарушенной части склона. Это по А. П. Павлову, деляпсивная часть оползня, происшедшая под действием силы тяжести горных пород (лат. delapsus – падение, скольжение). В нижней части такого оползня сместившиеся породы сильно раздроблены и перемяты под напором вышележащих блоков. Это детрузивная часть оползня, возникшая вследствие толкания оторвавшихся сверху блоков (лат. detrusio - сталкивание). Иногда давление оползневых масс настолько значительно, что перед ними возникают бугры выпирания пород, слагающих основание склона. В таких крупных оползнях вдоль поверхностей скольжения образуются оползневые брекчии трения. В ряде оползневых районов наблюдаются сложные оползни, состоящие из многих отдельных блоков. В таких сложных оползнях обычно сочетаются деляпсивный (в верхней части склона) и детрузивный (в нижней части склона) типы смещений. Крупные оползневые смещения образуют огромные цирки, или вернее полуцирки, глубоко выдающиеся в берег. Они чередуются с более устойчивыми участками склона, представляющими собой как бы мысы, называемые межоползневыми гребнями. Динамика оползневых процессов характеризуется определенными закономерностями их развития во времени. Прежде всего, следует различать оползни древние и современные. В соответствии с этим И. В. Поповым была предложена принципиальная схема общих закономерностей динамики развития оползней. Если природные условия благоприятны и создается ситуация для реализации сдвигающих и скалывающих усилий, начинается подготовка к нарушению равновесия масс горных пород. В это время могут происходить разные явления: увеличение выветренности горных пород, изменение их влажности и физического состояния, снижение их прочности, изменение крутизны склона, пластические деформации (ползучесть), в том числе явления глубинной ползучести в горных породах. Кинетика потери устойчивости склона с учетом ползучести изучена Г. Н, Тер-Степаняном. Ползучесть – это медленная деформация пород без образования поверхности скольжения, происходящая при напряжениях значительно меньших, чем временное сопротивление сдвигу. В зависимости от величины напряжения возможны три формы протекания деформации: 1-возрастание деформации останавливается в некоторый момент времени t1, достигнув постоянной величины; 2-возрастая вначале быстро, далее с момента t2 деформация начинает протекать с постоянной скоростью; 3-в некоторый момент t3 деформация переходит в срез. Породы склона в зависимости от напряжений, испытываемых ими в разных точках, могут находиться в разных фазах деформации: 1-стабилизации, 2-ползучести, 3-среза.
Для образования оползней на склонах необходимы следующие факторы: наличие водного слоя и его наклона в сторону склона, наличие водоносного горизонта и подземных вод. Движение толщи может быть вызвано разными причинами: землетрясением, сильным дождем, увеличившим ее вес, подмывом склона рекой или морем и неосторожным срезанием его человеком. Исследования оползневых районов показали, что оползни представляют собой сложный процесс, протекающий под влиянием комплекса факторов, в числе которых находятся и подземные воды. К таким факторам относятся:
В образовании оползней выделяют четыре стадии (по Е. П. Емельяновой):
Продолжительность первых трех стадий различна. Наиболее длительна первая из них, хотя и последующие могут протекать десятилетия. Последняя стадия может быть прервана при подрезке склона, землетрясениях и т.д. Скорость движения оползней изменяется от долей миллиметра в сутки до нескольких десятков метров в час. Размеры оползней значительны. Так оползень на реке Зеравшан (Таджикистан), произошедший 24 апреля 1964 года, по объему сместившихся пород составляет более 20 млн.м3. Он перекрыл реку и образовал насыпную плотину высотой 150 м. Причиной явилось обилие атмосферной воды, проникновение по трещинам, снижение сцепления рыхлых отложений, снижение сцепления рыхлых пород с плотными, и они сдвинулись. Весьма типичен оползень на берегу моря у Лайм-Риджис в Англии. Берег сложен здесь из белого мела, песчаников с кремнями и рыхлого песка меловой системы, подстилаемых юрской глиной, которая водонепроницаема. Пласты наклонены к морю, и грунтовая вода стекает по глине, образуя многочисленные ключи и создавая условия для сползания вышележащей толщи. После дождливой погоды 1839 года, напитавшей водой эти толщи и тем самым увеличившей их вес, 24 декабря весь берег пришел в движение, разбился на громадные глыбы, разделенные расселинами и оврагами, и пополз к морю. Давлением масс выдвинуло со дна моря гребень длиной в километр и высотой в 12 метров, состоявший из оторванных глыб, покрытый морскими водорослями, раковинами, морскими звездами и пр. и образующий теперь ряд утесов. Возле Одессы берег моря состоит сверху из третичных глин, подстилаемых известняком, который покоится на синей глине; по последней грунтовые воды стекают к морю и вызывают периодические оползни. Крупные глыбы отрываются от берега, ползут, опрокидываются; все побережье разбито расселинами и оврагами, а со дна моря выдавливаются отмели. Размеры оползней увеличились с тех пор, как здесь стали добывать известняк для городских построек и обширные каменоломни дали доступ атмосферным осадкам к нижней глине. Южный берег Крыма страдает от оползней почти на всем протяжении. Здесь на поверхности сильно складчатых сланцев и песчаников триаса и нижней юры лежит мощный слой грубого делювия, образующегося от разрушения и обвалов вышележащих мощных известняков верхней юры, слагающих обрывы Яйлы. В этот делювий проникают атмосферные осадки и источники Яйлы, и он сползает по крутым откосам сланцев вместе со зданиями и садами, рассекается трещинами, разрушает дома. Берег Черного моря от Туапсе до Сухуми также неустойчив; ближайшей причиной оползней часто являются подмыв берега прибоем и срезание его при проведении железной дороги и шоссе. Правый берег Волги в разных местах – в Ульяновске, Вольске, Саратове, Сызрани, Батраках и др. – часто сползает, потому что он состоит из водонепроницаемых и водоносных слоев и наклонен к реке.
Существует большое количество различных классификаций оползней. Они обычно делятся на три группы – общие, частные и региональные классификации. Общие классификации учитывают особенности оползневого процесса по комплексу признаков. Частные классификации основаны на выделении более существенных факторов, способствующих оползанию. Общие и частные классификации используются для определения применимости различных методов расчета устойчивости склонов и выбора противооползневых мероприятий. Региональные классификации составляются для районов широкого развития оползней. Из общих классификаций следует отметить классификации А. П. Павлова (1903), Ф.П. Саверенского (1934), Т.С. Золоторева (1963). По структуре оползневого склона и положению поверхности скольжения, по Ф. П. Саваренскому, различают следующие оползни: в однородных неслоистых породах с криволинейной поверхностью скольжения; оползни, у которых поверхность смещения предопределена геологическим строение; оползни, поверхность скольжения которых пересекает пласты различных пород. Из частных классификаций следует отметить классификацию Е. П. Емильяновой (1959), где главным фактором являются подземные воды. При региональных классификациях выделяют оползни, приуроченные к определенным стратиграфическим горизонтам и склонам разного генезиса (оползни третичные, абразионные и др.) В классификации более высокого, например, в классификации склоновых движений по типу пород уровня приведены шесть типов оползней. Оползни по наслоению относятся к склоновым движениям скальных и полускальных горных пород, которые имеют высокую прочность в образце, малую изменчивость прочности при длительных, кратковременных и ударных нагрузках, сильное влияние трещиноватости и тектонических нарушений на прочность массива, не набухают. Этот вид оползня проявляется в медленном смещении масс по поверхности. Они возникают, когда залегание поверхностей пологое, по которым сцепление незначительно. Оползни-надвиги происходят в глинистых породах, которые характеризуются низкой прочностью в образце, большой разностью прочности при ударных кратковременных и длительных нагрузках, набуханием. Происходит умеренное и медленное движение. Поверхность скольжения проходит в нижней части по контактам между слоями, а вверху пересекая их. К этой же категории относятся контактные оползни и оползни однородных пород. Первые наблюдаются в виде смещения по контактным слоям и характеризуются наличием подрезанных снизу контактов между слоями, а вторые представлены циклическим оползанием и крутым уклоном суглинков. Оползни-потоки характерны циклическим оползанием и разжижением и проявлением в пылеватых породах, имеющих тиксотропные свойства (тиксотропное разжижение и размокание). Возникают при насыщении водой до влажности выше предела текучести. Сюда же можно отнести и фильтрационные оползни, являющие собой циклическое обрушение песчано-глинистых пород над песчаной оплывиной, когда фильтрующий и оплывающий слои ниже слоя глинистых пород.
Прогноз оползневых явлений в зависимости от стадии инженерно-геологических изысканий может быть качественным и количественным. Качественная оценка устойчивости откосов основывается на изучении, описании и анализе инженерно-геологических условий склонов, их высоты и крутизны, особенностей рельефа, условий залегания горных пород, их состава, физического состояния и свойств; обводненности, сопутствующих геологических процессов и явлений. Все это позволяет дать оценку устойчивости склона в описательной форме: образование оползня неизбежно, возможно, сомнительно, нет оснований ожидать возникновения оползня. Количественные прогнозы основываются на строгих, конкретных методах – моделирования и расчетов. Обычно предвестником оползневых смещений служит появление одной или нескольких трещин, расположенных ваше берегового склона. Эти трещины срыва постепенно расширяются, и отчленяющаяся часть склона начинает оползать вниз. Помимо форм рельефа, создаваемых оползневыми процессами, хорошим показателем являются неправильно ориентированные деревья на поверхности оползневого тела. Они в процессе смещения выводятся из своего вертикального положения, приобретают на отдельных участках различный наклон, искривляются, а местами расщепляются, как это наблюдалось в парке Фили (Москва), на Южном берегу Крыма и в других местах. Оползни могут повторяться на одном и том же участке неоднократно из года в год. Сползшие массы, если они не уносятся с подножия склона речными водами или морскими волнами, могут препятствовать дальнейшему развитию оползня. Деревья на оползневых склонах приобретают наклон и образуют так называемый «пьяный лес». Для оценки возможности возникновения оползня пользуются коэффициентом устойчивости склона, который показывает соотношение сил сопротивления оползневому смещению и активных сдвигающих сил. В различных условиях он равен:
Оползни возможны, когда коэффициент устойчивости склона (переменный во времени в зависимости от различных факторов), уменьшаясь, становится равным единице. Для прогноза оползней применяются расчетные методы, основанные на определении коэффициента устойчивости склона путем сравнения напряжения в склоне с прочностью слагающих его пород, методы учета баланса земляных масс и др. Проводятся регулярные наблюдения за оползневыми явлениями в районах, где эти процессы могут принести ущерб народному хозяйству. Наблюдения ведут по специальным реперам, установленным в теле оползня. Периодически, проверяя инструментальную съемку, следят за изменениями отметок планового положения реперов, что позволяет определить скорость движения оползней. Одновременно проводят наблюдения за режимом подземных вод в скважинах, расходами родников, влажностью пород, осадками, водоносность рек и др., следят за появлением на склонах новых трещин или изменением размеров старых.
Математическое моделирование некоторого явления, в частности движения оползня, приводит к дискретизации неизвестных функций. Методы дискретизации, используемые при создании вычислительных моделей, включают в себя конечно-разностные методы, методы конечных элементов и метод, который был выбран для расчетов в данной работе – метод частиц. Термин «модели частиц» является общим для класса вычислительных моделей, в которых дискретное описание физических явлений включает использование взаимодействующих частиц. Каждая частица имеет набор атрибутов, таких как масса, заряд, завихренность, положение, импульс. Состояние физической системы определяется атрибутами конечного ансамбля частиц, а эволюция системы определяется законами взаимодействия этих частиц. Разрывность решений уравнений затрудняет применение разностных схем и накладывает определенные требования для соблюдения консервативности. Поэтому метод частиц, не требующий гладкости решения, становится достаточно эффективным. Также из положительных качеств метода можно отметить возможность использования неравномерной сетки. Особенность, которая делает модели частиц привлекательными с вычислительной точки зрения, состоит в том, что ряд атрибутов частицы сохраняется, и поэтому их не надо изменять, когда вычислительная модель развивается во времени. Связь между частицами вычислительной модели и частицами физической системы в значительной степени определяется соотношениями ограниченных вычислительных ресурсов и характерных пространственных и временных масштабов физических систем. С математической точки зрения метод основан на представлении тела совокупностью взаимодействующих частиц (материальных точек или твердых тел), описываемых законами классической механики. Неизвестная функция представляется в виде конечной суммы δ– функций Дирака:  (1)где M – число взаимодействующих частиц, δ (x) – дельта–функция Дирака – функция, позволяющая записывать пространственную плотность физических величин, приложенных к точке пространства. Затем δ (x) аппроксимируется сглаживающим ядром W(x-y),  (2) (3)а интеграл приближается с помощью квадратурной формулы, узлами которой являются координаты частиц  (4)Выбранный метод дискретизации трансформирует уравнения модели. Считается, что в начальный момент смещающаяся часть грунтового массива расщепляется в поток жидких частиц, распространяющихся по склону. Взаимодействие с воздухом на боковых границах пренебрежимо мало. Движение потока подвержено действию силы тяжести и силы трения, нет внешних притоков массы. Для описания движения примем систему уравнений мелкой воды в системе координат, связанной со склоном:  где x , y – горизонтальные координаты вдоль склона, t – время, u и v – усредненные горизонтальные скорости по оси x и y соответственно, h – возвышение оползневого потока относительно склона, g – ускорение свободного падения, θ– наибольший угол наклона склона к горизонтальной поверхности, θx и θy – углы наклона склона по осям x и y , Fx и Fy – составляющие за счет силы трения в проекции на оси. Для потоков, содержащих глину и камни, сила трения имеет вид:  (8)где i – x или y , δ – динамический угол трения. Отметим, что выражение для силы трения имеет различный вид для остановившихся и находящихся в движении частей потока. Это связано с тем, что пока активная сила меньше чем ила трения, движение в остановившей части потока не может начаться. В качестве задачи, представим результаты моделирования одной из исследованных одномерных задач движения потока по склону постоянной крутизны. Начальное распределение высот и скоростей частиц представлено на рис. 1 в системе координат, связанной со склоном. Высоты и ширины частиц представлены прямоугольниками, скорости – точками. Угол наклона равен α = 24.7. Шаг по времени – τ = 0.01.  Рисунок 1. Распределение положения (м) и скоростей (м/c) частиц с течением времени (слева направо сверху вниз): через 10, 60, 170 секунд и более чем через 160 минут Общая картина схода оползня представлена на рис. 2.  Рис. 2. Начальное распределение положения (x), высот (м) и скоростей (м/с) частиц оползня В начальный момент времени резко увеличиваются скорости частиц. И с течением времени увеличивается ширина частиц, уменьшаются высоты. Поток выходит на установившийся режим движения. Чтобы увидеть «закругленность» склона необходимо увеличить количество частиц начального возмущения.
Естественные условия, способствующие оползням, например, на берегах Волги, усугубляются неосторожностью человека, срезающего нижнюю часть склона для проведения улиц, дорог к пристаням и нагружающего вышележащий склон зданиями, которые со временем обязательно разрушатся. Отсутствие канализации в городах увеличивало раньше количество воды, проникающей в водоносные слои. Западный берег озера Байкал от истока реки Ангары до станции Култук обусловлен крупным сбросом, создавшим глубокую впадину озера. При проведении железной дороги это не было учтено; многочисленные тоннели и выемки пересекают оконечность мысов между долинами слишком близко к крутым береговым откосам, где твердые горные породы разбиты трещинами, параллельными главному сбросу, и поэтому неустойчивы. Происходят обвалы стенок выемок, искривляя пути, выпадение глыб из сводов тоннелей вследствие продолжающихся мелких подвижек вблизи сброса. Для успешной борьбы с оползнями необходимо знание режима подземных вод. Правильное регулирование режима подземных вод способствует прекращению оползней. Мерами борьбы с оползнями является лесонасаждение и подсыпки, укрепление склонов путем покрытия дерном с прошивкой сваями и кольями. Более надежно склон закрепляется бетонными и каменными стенками. Еще более надежное средство – устройство подземного дренажа (прокладка труб) и поверхностный дренаж – путем устройства водосборных бетонированных канав на поверхности склона для сбора атмосферных вод. Так, например, укреплен крутой склон правого берега Москвы-реки на Воробьевых горах, где возвышается лыжный трамплин. Заключение По возможности полно изучив данное явление, я с уверенностью могу сказать, что оползни по разрушительности и непредсказуемости последствий не уступает наводнениям, землетрясениям и другим катастрофам нашей планеты. Доказательством может служить недавно произошедший оползень на юге Киргизии, в селе Будалык. Произошло это 27 марта 2004 года. По словам очевидцев, объем сместившихся горных пород составил несколько млн. м3, было стерто с лица земли 12 домов и погибло 33 человека. Ранее в этом районе уже случались подобные явления, но не столь крупных масштабов. Проводившиеся исследования показывали, что горы не опасны и возможность новых оползней ничтожна. Причиной этого оползня стало землетрясение, произошедшее ночью перед катастрофой. В данный момент специалисты утверждают, что существует угроза новых оползней. Этот случай дает понять насколько несовершенны методы исследования, прогнозирования и диагностики оползней. Поэтому необходимо продолжать изучение данного явления, как одного из опасных явлений. Литература:
|