геология и разведка
Preview

Известия высших учебных заведений. Геология и разведка

Расширенный поиск

Оползни и провалы в карстовой среде в районе реки Уфы

https://doi.org/10.32454/0016-7762-2022-64-3-85-93

Содержание

Перейти к:

Аннотация

Введение. В результате рекогносцировочных маршрутов и инженерно-геологических изысканий получены данные о характере развития экзогенных процессов на участке, примыкающем к г. Уфа. Этот регион хорошо изучен благодаря широкому развитию карста. Оползни получили меньшую распространенность, но их развитие часто связано с активизацией карста. Оползни, формирующиеся в провалах и понижениях в рельефе, широко развиты и в других регионах Российской Федерации.

Цель. Изучение особенности формирования оползней. Выполнение анализа последовательности механизма образования оползней, приуроченных к зонам разуплотнения горного массива.

Материалы и методы. В данном исследовании предложен механизм оползневых явлений в местах развития карста. Работа основана на анализе результатов предыдущих исследователей в 1997, 2013 и 2017 гг., дешифрировании спутниковых снимков, цифровой модели рельефа и топографических, геоморфологических, инженерно-геологических карт, рекогносцировочных исследований. Особенность инженерно-геологических условий выбранной территории позволяет изучить формирование и развитие одновременно двух экзогенных процессов (карст и оползни). Территория изучения: участок выезда из г. Уфа вдоль склонов рек Солотча и Уфа. На основе закона, установленного Бондарик, Пендин, Ярг в 2007 г.: «…одни геологические процессы, подготавливают другие, те, в свою очередь, — третьи и т.п. и вследствие этого развиваются так называемые каскадные процессы…» Рассмотрены экзогенные геологические процессы — карст и оползни, протекающие на одном участке геологического массива.

Результаты. Формирование полостей приурочено к тектонической трещиноватости, по которой поверхностные и подземные воды протекают вглубь горного массива. Со временем происходит изменение гидродинамической зональности, вынос заполнителя и освобождение ранее сформировавшихся трещин, полостей и пустот. Деформация массива над полостью не происходит до тех пор, пока сохраняется вертикальное давление в грунтах и несущая способность слоя. В результате представлена на рассмотрение последовательность протекания процессов, выдвинуто предположение, что трещина бортового отпора деформирует поверхность склона после сформированного блока на глубине.

Заключение. Показано, что при формировании карстовых провалов происходит активизация оползневых процессов на поверхности склона.

Для цитирования:


Орлова Н.А. Оползни и провалы в карстовой среде в районе реки Уфы. Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2022;(3):85-93. https://doi.org/10.32454/0016-7762-2022-64-3-85-93

For citation:


Orlova N.A. Landslides and sinkholes of the karst environment in the vicinity of the Ufa river. Proceedings of higher educational establishments. Geology and Exploration. 2022;(3):85-93. (In Russ.) https://doi.org/10.32454/0016-7762-2022-64-3-85-93

Рассматриваемый в статье участок примыкает к границе Октябрьского и Советского районов (рис. 1), протягивается через реку Уфу и переходит в Кировский район, заканчиваясь трассой М-5. В результате рекогносцировочных и многолетних наблюдений [6][7] установлено, что вдоль береговой линии рек Уфа и Солотча образуются оползни различной протяженности. Данные оползни нередко приурочены к местам формирования карстовых провалов. В целом для территории г. Уфа средний коэффициент закарстованности равен 0,00`2—0,003 (3,3 воронки на 1 км2), тем не менее на склонах он достигает 0,006—0,007, а на междуречье не превышает 0,0005. Поверхностные карстопроявления представлены главным образом воронками, часто провального генезиса. Диаметр их 10—90 м, иногда достигает 200 м, глубина от 5 до 40 м. В г. Уфа и окрестностях установлено 63 карстовых поля, в пределах которых плотность воронок от 10—20 до 100 на 1 км2 и редко более. В пределах города и пригорода выявлено 27 карстовых полей.

Рис. 1. Положение площадки изысканий
Fig. 1. Survey site position

Карбонатный и сульфатно-карбонатный карст связан с толщей шешминского и соликамского горизонтов, где карстующимися породами являются глина известковистая, мергели выветрелые, прослои сильнотрещиноватых известняков, в нижней части толща, как правило, загипсована. Сульфатный карст приурочен к отдельным зонам и очагам, связанным с трещиноватостью, развит в кунгурском ярусе.

В процессе обрушения грунта в образующуюся полость и в случае формирования провала на поверхности на склоне начинает формироваться трещина закола. Подобные провалы подробно описаны в горном деле, их появление отмечают в бортах карьеров и откосах отвалов различные исследователи [2][3][9]. Дальнейшая активизация носит катастрофический характер, происходит образование одновременно двух процессов — карста и оползней.

Рис. 2. Схематический разрез в районе распространения карста и оползней
Fig. 2. Schematic section in the area of karst and landslides

Результаты и обсуждение

Геологическое строение исследуемого участка до глубины, способной повлиять на активизацию экзогенных процессов, представлено в основном четвертичной, неогеновой и пермской системами. Четвертичные отложения слагают долины рек и ручьев, тальвегов оврагов аллювиальными, делювиальными и пролювиальными образованиями, перекрыты техногенными и биогенными отложениями.

Неогеновая система представлена осадками кинельской свиты, сложена плотной серой глиной. Состав глин преимущественно монтмориллонитовый, содержит каолинит, гидрослюду, включения зерен кварца, полевого шпата, кальцита. По подошве акчагыльского яруса встречены водоносные прослои, оказывающие влияние на консистенцию глин.

Пермская система в основном сложена породами уфимского яруса, состоящими из суглинков известковистых, известняков, доломитов и гипсов.

Гидрогеологические условия характеризуется наличием трех водоносных горизонтов и комплексов: водоносный горизонт делювиальных (спорадически развитых), четвертичных, пермских уфимских отложений и кунгурского яруса. Состав вод: гидрокарбонатно-сульфатные кальциево-магниевые, сульфатно-гидрокарбонатные кальциево-натриево-магниевые с минерализацией 0,4—0,6 г/л. В разные годы отмечалось разное положение уровня подземных вод, наблюдения проводились с 1991 года и показали максимально высокий уровень — 27 м, в 2012 году отмечалось значительное понижение на 11 м, в 2017 году уровень подземных вод в уфимском ярусе пермской системы вновь поднялся и зафиксирован на глубине 30,2 м.

Особенностью структурно-тектонических условий территории, оказывающей влияние на поверхностные процессы, является грабенообразная Сутолокская синклиналь, пространственно совпадающая с Аскаро-Черкасским прогибом, к восточному блоку которого примыкают тектонические «валы». Проявления неотектонических и экзотектонических нарушений пространственно и генетически связаны с заложением и развитием эрозионно-карстовых оврагов (рис. 3). Выявленные на космоснимках и при рекогносцировке древние карстовые провалы приурочены один к водоразделам рр. Уфа и Сутолока и системе оперяющих трещин (разломов) Аскарово-Черкасского прогиба, контролирующего грабенообразную Сутолокскую синклиналь, другой приурочен к региональному разлому.

Рис. 3. Приуроченность карстовых воронок, оползней к тектоническим нарушениям на участке исследуемой площадки
Fig. 3. Кarst funnels, landslides are associated with tectonic disturbances in the area of the study site

В зависимости от рельефа и мощности перекрывающих отложений (менее 40 м) на речных террасах рек Уфа и Сутолока могут быть распространены карстовые формы рельефа и проявлять активность провалообразования [5]. Данные рекогносцировочных исследований подтверждают наличие понижений в рельефе: диаметр от 4 до 94 м, глубина от 0,3 до 2,4 м, в основном округлой, дугообразно-эллипсовидной формы. При проведении буровых работ в районе провалов выявлено, что породы сильно дислоцированы, встречены карстовые брекчии, залегающие согласно в толще мергеля и суглинка.

Карст на рассматриваемой территории главным образом связан с кунгурскими гипсами и гипсоносными породами соликамского и шешминского горизонтов и, в значительно меньшей степени, с карбонатными соликамскими и шешминскими породами. Согласно схеме типизации карста Башкортостана, в пределах г. Уфа развиты три класса карста: сульфатный, карбонатный и карбонатно-сульфатный. По степени защищенности сверху некарстующимися породами преобладают два подкласса — перекрытый (камский) в пределах долин рек Белой и Уфы и закрытый (русский) на междуречье. Наряду с закрытым на междуречье имеются участки перекрытого, покрытого и голого карста. Структурно-тектоническое положение кровли карстующихся пород является одним из основных факторов, определяющих неравномерное развитие карста на междуречье. В процессе проведения работ выявлено, что современный рельеф в пределах междуречья во многом был предопределен рельефом кровли гипсов.

Установлено [1], что предел прочности на одноосное сжатие (σstr) таких пород, как гипс, составляет 14—70 МПа. Мощность покровной толщи над выявленными в процессе буровых и геофизическихработ подземными полостями в карстующихся породах региона, не превышает 100 м. Деформация массива над полостью не происходит до тех пор, пока сохраняется вертикальное давление в грунтах и несущая способность слоя. Среднее значение удельного веса преимущественно песчано-глинистых грунтов γ = 28 кН/м3 [5], возможное значение давления покровной толщи порядка 2,8 МПа. Структурная прочность перекрывающих пород в несколько раз больше вертикального давления, в связи с чем в нем невозможны пластические деформации, что позволяет в течение некоторого времени сохранять стабильное состояние вышележащим четвертичным и неогеновым отложениям. Разрушительные деформации не происходят до тех пор, пока растягивающие напряжения цилиндра (или перевернутого конуса) над сводом и сжимающие напряжения самого свода на глубине Z (см. рис. 4) находятся в равновесии. Только с ростом воронки начинается деформация грунта в сторону полости, ниже по склону возникают зоны повышенных вертикальных и касательных напряжений с последующим формированием трещин закола на поверхности.

Рис. 4. Схема распределения напряжений над полостью
Fig. 4. Scheme of stress distribution over the cavity

Очаги и своды над подземными полостями — эта такая неравновесная открытая система в поле напряжений прилегающего к склону коренного массива под влиянием оползневого процесса, которая расположена между дневной поверхностью и горизонтом базиса оползания. Потеря устойчивости происходит по мере роста «окна полости» и постепенного снижения горизонтальных напряжений по радиальным силовым линиям, на поверхности они проявляются часто в виде трещин закола и родников, наблюдаемых в крыльях оползневых тел, в связи с тем что в центральной части блока грунты действуют как клин по отношению к коренному массиву.

Подобные случаи известны в практике довольно хорошо: так, формирование оползня в г. Баку вызвано выемкой грунта на глубину 10 м для строительства гостиницы, в г. Железнодорожном — котлованом глубиной 2 м.

Характерные проявления оползневых процессов на склонах вдоль берега реки Уфы: фронтальный характер тела, изогнутость береговой линии, ступенчатая форма рельефа, оползневые бугры ниже по склону, родники, в массиве — волнистый характер залегания кровли гипсов и мергелей, наличие дезинтегрированных грунтов.

Можно выделить оползни следующих типов на правобережном склоне:

  1. глубокие оползни, захватывающие всю толщу четвертичных и неогеновых отложений, а также подстилающие их суглинки пермской системы;
  2. оползни, ограничивающиеся породами, залегающими выше глин, относящихся к неогеновой системе;
  3. поверхностные оползни, захватывающие
    только четвертичную систему.

Рассмотрим глубокие оползни, приуроченные, по нашему мнению, к провалообразованию карстующихся пород (см. рис. 2), которые связываются с развитием блокового оползня типа сжатия-выдавливания.

Оползневой блок имеет цилиндрический вид; по результатам бурения, выполненного в 2017 году, имеет наклон к реке или запрокинутую к плато поверхность. При потере устойчивости в понижениях происходит выпор в их сторону, при этом, с одной стороны, гипсы, скорее всего, контролируют поверхность скольжения (рис. 2), нагружая известковистые суглинки, с другой — в случае чрезмерной нагрузки захватывает их оползневыми деформациями. Анализ, выполненный благодаря расчетам устойчивости методом «Откос» вычислительного комплекса «SCAD Office», представлен на рисунке 5, он подтверждает данную гипотезу. В основе алгоритма расчета, реализованного в программе «Откос», лежит методика, предложенная В.Г. Федоровским и С.В. Курилло и основанная на методе переменой степени мобилизации сопротивления сдвигу.

Рис. 5. Расчет устойчивости участка склона
Fig. 5. Slope section stability calculation

Следует отметить, что основная причина образования оползней вдоль берегов реки Уфы — возрастание касательных напряжений в пермских суглинках при уменьшении ширины оползневой террасы вследствие разуплотнения пород в зоне склона, сопровождающихся уменьшением их прочности, вызванного провалом, а также достаточно крутым углом наклона склона (27—40°). Вертикальное давление грунта на глубине Zi можно определить для блока следующим образом: σ1i = γZi.

Наличие водоносного горизонта в пермских отложениях оказывает влияние на состояние склона в связи с постоянной разгрузкой и выдвижением оползневых накоплений в сторону реки (выносом деляпсия в реку). Не исключено, что развитие оползней происходит одновременно по двум механизмам в разных участках склона: вязкопластичное течение внизу, хрупкое разрушение на участке отделения от плато, вызванное провалом.

Оползни данного типа смещаются по круговой, волнисто-наклонной или наклонной поверхности (рис. 2). В случае кругового вращения на оползневом склоне сторону впадины в пермских отложениях, обращенную к реке, можно рассматривать как нижнюю часть поверхности скольжения оползшего блока, сторону, обращенную к плато, — как запрокинутый блок. Поверхность скольжения ранеесмещенных блоков (в оползневом очаге) регламентирует расположение нижней границы базиса в коренном массиве.

При условии развития карстовых процессов в массиве склона возникает несимметричное напряженное состояние массива [8]. Наличие тектонических трещин, зон выветривания представляет собойрезультат растяжения или сжатия, порой они встречены в виде отрезков и разделяют массив на блоки.

В результате наблюдений на оползневых участках Москвы (на примере схода оползневого блока в 2006 году на участке Хорошево-1) и Одессы [4] установлено, что спустя четыре месяца после образования трещины закола происходит отделение блока от плато. Общим для рассмотренных в статье и приведенных в качестве примера оползней является наличие карстующихся пород на склоне, неровного «жесткого» основания, подстилающих глины, теряющие свое пластичное состояние.

Процессы смещения оползневых тел по поверхности правобережного склона, сопровождаемые развитием поверхностных форм карста и выщелачиванием гипсов в глубине массива, происходят врежиме длительной стадии подготовки к основному смещению. Для определения времени от стадии образования провала на поверхности до формирования тела оползня необходимо проведение длительного мониторинга за данными процессами.

Заключение

Последовательность оползнеобразования можно рассмотреть в следующем порядке:

  • изменение гидродинамического напряжения внутри склона (береговая эрозия, сезонное изменение уровня в реке и водоносном горизонте) оказывает воздействие на растворимость гипсов;
  • в процессе провалообразования полость на глубине заполняется дезинтегрированными грунтами, как правило, подошва их залегает ниже уреза реки Уфы;
  • формирование трещины закола на поверхности позволяет сделать вывод, что поле напряжений в массиве перестраивается: возникновение подобного силового воздействия сопровождается участком с разрывом, который сливается в единую поверхность скольжения, подготавливая к смещению весь массив;
  • оторвавшийся массив перемещается по криволинейной поверхности скольжения, имеющей основной наклон в сторону реки нижней частью по направлению к реке, одновременно опускаясь и запрокидывая верхнюю часть к плато;
  • суглинки пермских отложений, подстилающие глины неогена, выпираются под влиянием вышележащих слоев грунта в сторону реки, создавая прогиб мергелей и в дальнейшем формируя их разрыв;
  • выдавливание происходит у подножия склона и подвергается одновременно сжатию массы, что приводит к формированию двух и более валов выдавливания, наблюдаемых на склоне;
  • массив является нагрузкой на призме сопротивления выпиранию суглинков из-под мергелей, необходимо устанавливать положение его, при котором начинается новое выпирание суглинков.

Список литературы

1. Алванян А.К., Ибламинов Р.Г., Коноплев А.В. Физикомеханические свойства гипсового камня и инженерно-геологические условия Богомоловского месторождения // Научный журнал КубГАУ. 2012. № 83(09). C. 168—177.

2. Дёмин А.М. Оползни в карьерах: анализ и прогноз. М.: ГЕОС, 2009. 79 с.

3. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. Л.: ВНИМИ, 1971. 188 с.

4. Науменко П.Н. Закономерности развития и механизм катастрофических оползневых смещений на Одесском побережье / Вопросы изучения оползней и факторов, их вызывающих. Труды ВСЕГИНГЕО. 1968. Вып. 8. С. 42—59.

5. Постоев Г.П., Кучуков М.М., Казеев А.И. Физические законы распределения давления в геологической среде // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2020. № 6. С. 22—31.

6. Смирнов А.И. Аномально крупные карстовые провалы Южного Урала и Предуралья // Геологический сборник. ИГ УНЦ РАН. 2013. № 10. С. 50—56.

7. Строительство автодорожного тоннеля в створе мостового перехода через р. Уфу, г. Уфа, РБ. Т. II. Кн. 2. Отчет об инженерно-геологических изысканиях (промежуточные материалы). III этап. Комплексные инженерно-геологические изыскания. Заказ № 045 к т/22261. Техархив ЗАО «ЗапУралТИСИЗ», 2013.

8. Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов. ГЕОС. М., 2003.

9. Martinotti М. Landslides, floods and sinkholes in a karst environment: the 1—6 September 2014. Gargano event, southern Italy. Natural Hazards and Earth System Sciences. 2017. No. 17. P. 467—480.


Об авторе

Н. А. Орлова
ФГБУН «Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева Российской академии наук»
Россия

Орлова Надежда Александровна  — аспирант, младший научный сотрудник 

13, Уланский пер., г. Москва 101000
тел.: +7 (926) 603-09-46
SPIN-код: 3498-1866



Рецензия

Для цитирования:


Орлова Н.А. Оползни и провалы в карстовой среде в районе реки Уфы. Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2022;(3):85-93. https://doi.org/10.32454/0016-7762-2022-64-3-85-93

For citation:


Orlova N.A. Landslides and sinkholes of the karst environment in the vicinity of the Ufa river. Proceedings of higher educational establishments. Geology and Exploration. 2022;(3):85-93. (In Russ.) https://doi.org/10.32454/0016-7762-2022-64-3-85-93

Просмотров: 465


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0016-7762 (Print)
ISSN 2618-8708 (Online)