Тема – Склоновые процессы (продолжение)

Тема – Склоновые процессы (продолжение)
Лекция 8 -201Обвалы. Осыпи. Лавины
Обвалы
Обвал – отрыв (отделение) и падение больших масс горных пород на крутых и
обрывистых склонах гор, речных долин и морских побережий. Обвалы происходят в
результате ослабления связности (цельности) горных пород, главным образом под
влиянием процессов выветривания, деятельности поверхностных и подземных вод.
К основным видам обвальных явлений относятся: вывалы, камнепады, скальные
осыпи, а также комбинированные оползни-обвалы (см. рис.ниже).
Объём крупнейшего обвала — Усойского (1911) на реке Мургаб (Памир) составил
около 2,2 млрд. м3. В результате этого обвала образовались естественная плотина и
Сарезское озеро.
Подразделение обвалов проводят по ряду признаков. Так, например, по объему
выделяют обвалы:
1. Грандиозные (V=50-100 млн.м3)
1
2. Крупные (1-50 млн.м3)
3. Средние (0,1-1 млн.м3)
4. Мелкие (<0,1 млн.м3).
По характеру (механизму формирования) обвалов выделяют:
 Обвалы (собственно)
 Оползни-обвалы (комбинированные)
 Вывалы
 Осовы (ступенчатое смещение и оседание увлажненной осыпи)
После обвала в коренном скальном массиве остаются характерные ниши отрыва.
Природные факторы формирования обвалов, по-существу, те же, что и для
оползней . К ним относятся:
 Литолого-петрографические особенности массива;
 Климатические условия;
 Геоморфологические условия
 Сейсмические условия
 Геолого-структурные особенности массива, включая тектоническую
раздробленность и т.п.).
К обвальным явлениям относятся также формирование развалов, рассыпание,
камнепады.
Развалы – распад крупных глыб и блоков пород на пологих склонах и вершинах
гребней. Причиной формирования развалов является выветривание и разгрузка
напряжений массивов скальных пород.
Рассыпание – смещение развалов глыб и камней на незначительные расстояния по
склону. Механизм рассыпания осуществляется под действием гравитационных сил
Камнепад – падение и смещение по склону отдельных камней, щебня и глыб. Камнепады
формируются вследствие вывалов отдельных глыб или отрыва камней от неустойчивых частей на
крутых склонах. В некоторых местах на крутых скальных склонах наблюдаются практически
постоянные камнепады вследствие активных процессов выветривания. На таких участках можно
наблюдать периодическое отрывание и скатывание вниз отдельных камней.
К техногенным факторам формирования или активизации рассматриваемых
обвалов и обвальных явлений относятся:
 Искусственная активизация выветривания массива;
 Подрезка склонов;
 Взрывы (динамические воздействия на массив);
 С/х деятельность, снижающая устойчивость склонов и т.п.
Учет техногенных факторов обвальной опасности особенно необходим в горных
областях при строительстве различных инженерных сооружений: прокладке дорог,
трубопроводов, строительстве высокогорных плотин, промышленных и жилых зданий и
др.
Особенно большая опасность возникновения техногенных обвальных явлений
существует при строительстве и разработке глубоких карьеров
При оценке обвальной опасности территорий определяют:
 Относительную пораженность территории обвалами,%;
 Площадь обвалоопасных склонов;
 Частота обвалов, шт/год на км2.
Для количественной оценки устойчивости обвально-опасных склонов применяют
тот же комплекс инженерно-геологических методов, что и при изучении устойчивости
оползневых склонов: методы аналогий, расчетные, расчетно-аналитические методы и
моделирование
2
Прогноз обвальной опасности склонов составляется на базе анализа состояния
склонаа и факторов формирования обвальных явлений. Для этого используют
 данные мониторинга;
 расчет коэффициента устойчивости склона по эмпирическим формулам;
 моделирование.
Наиболее эффективна оценка обвальной опасности дистанционными методами на базе
аэро- или космосъемки, а также по результатам мониторинга. С помощью многозональной
аэрофотосъемки удается изучать детали обвальной опасности на значительных территориях, в том
числе в труднодоступных районах
В результате обвала может почти полностью разрушиться та или иная экосистема и
сформироваться так называемая «фаза обнажения» - появление незаселенного пространства в
геологическом массиве. Это вызовет следующую фазу сукцессии – миграцию организмов, затем
их колонизацию и т.д. Таким образом, динамика и интенсивность обвальных явлений определяет в
той или иной степени и динамику сукцессии в экосистемах
Профилактические мероприятия включают в себя:
 Выравнивание склонов;
 Обрушение склонов;
 Уборка опасных глыб;
 Дренаж склонов.
Конструктивные мероприятия включают создание:
 Защитных стенок;
 Защитных дамб;
 Контрфорсов;
 Защитных галерей;
 Укрепление склонов
Осыпи
Осыпи - скопления обломков горных пород у основания и в нижней части крутых
горных склонов. Образуются в результате выветривания горных пород и скатывания
обломков вниз по склону. Материал до некоторой степени сортирован по крупности и
состоит обычно из угловатых обломков различного размера — от песчаных зёрен и
мелкого щебня до глыб поперечником в несколько м. Поверхность осыпей имеет уклон,
близкий к углу естественного откоса, крутизна которого достигает 30—40. В
зависимости от крутизны угла откоса осыпи обнаруживают различную степень
подвижности.
Осыпание – движение по склону мелких обломков пород (наиболее
распространенный тип склоновых процессов в горах). Механизм движения осыпей –
прерывистый: накопление материала – его смещение, снова накопление – смещение и т.д.
По объему (а также занимаемой площади) осыпи подразделяют на:
1. Крупные
2. Средние
3. Мелкие
По активности осыпи подразделяют на:
 Действующие (активные), со скоростью движения v = 10-15 см в год и
более;
 Полузакрепленные (затухающие), v < 10 см/год
 Закрепленные (неподвижные), v = 0.
Осыпи, как и иные склоновые процессы, формируются под действием природных и
техногенных факторов. К природным факторам динамики осыпей относятся:
3
1. Литолого-петрографические особенности материнских пород;
2. Геоморфологические условия местности, в первую очередь крутизна
осыпного склона; при углах склонов
<33o – формируются песчаные осыпи;
33- 36o – мелкощебнистые осыпи;
> 36o - крупнощебнистые осыпи.
3. Климатические условия местности – перепады температур, влияющие на
выветривание, особенности снегового покрова, осадки, сезонные изменения
погодных условий и т.п.;
4. Сейсмические условия.
Среди техногенных факторов динамики и активизации осыпей выделяют
следующие:
 Подрезка склонов;
 Техногенная активизация выветривания;
 С/х деятельность на склонах;
 Строительство дорог и иных инженерных сооружений;
 Взрывы и др. динамические воздействия
Методы изучения динамики осыпей и осыпных склонов разнообразны и делятся на
наземные и дистанционные.
К наземным методам относятся:
1. Фото-теодолитные площадки - путем сравнения фото осыпей, выполненных в
разные промежутки времени;
2. Прокрашенные створы - нанесение меток на обломках и контроль по ним
смещения материала;
3. Микронивелирование - контроль смещения по меткам на шестах;
4. Дендрохронология – оценка динамики осыпи по косвенным признакам на
древесной растительности в пределах осыпи, а именно по:
Обнажению корней;
Погребению стволов под осыпью;
Деформированию корней;
Наклону деревьев;
Сбитости годовых колец и др.
К дистанционным методам изучения динамики осыпей относятся методы
аэрофотосъемки, выполненные в разное время, по которым можно следить за скоростью
смещения осыпей. С помощью многозональной аэрофотосъемки удается изучить детали
проявления осыпных явлений на различных, в том числе труднодоступных территориях.
Пример такого снимка показан ниже (рис.1).
4
Рис 1 Фрагмент синтезированного многозонального аэрофотоснимка участка
проявления осыпных процессов (зеленоватые шлейфы, потоки, конусы) в
Приэльбрусье
Методы прогноза динамики осыпей многочисленны. К ним относят методы
прогнозирования:
 По анализу факторов формирования осыпи;
 По данным мониторинга;
 По расчетно-аналитическим методам – оценке коэффициента
подвижности осыпи:
Кп = /,
где – угол поверхности осыпи;  - угол естественного откоса пород; если Кп =1 – опасное
состояние; если Кп <1 – не опасное состояние осыпи.
По величине коэффициента подвижности осыпи подразделяются на четыре типа:
 Подвижные, «живые» - Кп =1
 Достаточно подвижные Кп = 0,7 – 1,0;
 Слабоподвижные, затухающие - Кп = 0,5 – 0,7;
 Относительно подвижные, уплотнившиеся Кп < 0,5.
Осыпные склоны, в отличие от иных биотопов, относительно бедны живыми
организмами, на первый взгляд они вообще кажутся безжизненными. На осыпных
5
склонах, особенно с активными действующими осыпями обычно не успевает развиваться
растительность – движение каменного материала губит ростки. Тем не менее, и в этих
условиях на осыпях (и только на них!) формируются специфические экосистемы:
развиваются отдельные виды лишайников, а также растений, приспособленные к их
активности, имеющие короткий вегетационный период или развитие которых приурочено
к сезонным стадиям пониженной активности осыпи. С осыпями тесно связана жизнь и
многих других организмов: от микроорганизмов, до многочисленных видов насекомых,
пресмыкающихся и птиц.
Защитные мероприятия
Осыпи, в отличие от других склоновых ЭГП, обычно не принимают
катастрофических масштабов и редко когда наносят существенные разрушения
инженерным сооружениям. Тем не менее, в целом ряде случаев необходима разработка
инженерной защиты и от этого процесса.
Рис. 2 Галерея для защиты дороги от осыпи (Ананьев, Потапов, 2000)
Как и для многих других ЭГП, защитные мероприятия от осыпей делятся на
профилактические и инженерные.
К профилактическим мероприятиям относятся:
 Планировка склонов, их выполаживание;
 Расчистка склонов, удаление активных осыпей;
 Организация дренажа и др.
К инженерным (конструктивным) мероприятиям относятся:
 Закрепление склонов, в том числе методами технической
мелиорации;
 Строительство защитных и подпорных стенок и т.п.
ЛАВИНЫ
Лавина (нем. Lawine, от познелат. labina — оползень) - снежный обвал, массы
снега на горных склонах, внезапно пришедшие в движение, скользящие и
6
низвергающиеся. Возникновение лавины возможно во всех горных районах, где
устанавливается устойчивый снежный покров.
Рис. 3 Сход снежных лавин, Кавказ (Геокриол. опасности, 2000)
Освобождение горных склонов от накопившихся на них снегов происходит: от
перегрузки снегом склонов во время метели или вследствие малой силы сцепления между
новым снегом и подстилающей поверхностью в течение двух первых суток после
окончания снегопада (сухие лавины); при возникновении между нижней поверхностью
снега и подстилающей поверхностью склона водной смазки во время оттепелей или
дождей (мокрые лавины); при формировании в нижних частях снежной толщи горизонта
разрыхления, состоящего из кристаллов глубинной изморози, не связанных друг с другом
(лавины сублимационного диафтореза).
Причина разрыхления — более высокие температуры в нижних горизонтах снега,
откуда водяной пар мигрирует в более высокие (холодные) горизонты. Это влечет за
собой испарение снега в теплом горизонте и превращение его в горизонт скольжения
В зависимости от характера движения снега по склонам выделяются три типа
лавин:
 «осовы» - снежный ступенчато-оседающий оползень, соскальзывающий по
поверхности склона вне русел;
 склоновые – сползающие по склонам вне ложбин;
 «лотковые» — движущиеся по ложбинам, логам и эрозионным бороздам;
 «прыгающие» по уступам, т. е. свободно падающие.
7
Рис 4 Морфология снежной склоновой лавины: 1 – область отрыва; 2- область транзита; 3
– область аккумуляции снежной массы
Скорость движения лавины составляет в среднем 20—30 м/сек. Падение лавины
обычно сопровождается своеобразным свистом низкого тона (в случае падения сухого
снега), скрежетом (в случае падения мокрого снега) или оглушительным шумом (в случае
возникновения воздушной волны).
Частота падения лавины и их объём зависят от морфологии лавины. «Лотковые»
лавины из крутых ложбин падают часто, но достигают небольших объёмов; из
разрушенных каров лавины падают редко, но достигают огромных объёмов. Остатками
лавины обычно являются лавинные снежники
По составу лавин выделяют:
1. Снежная лавина – состоящая только из снега, самый распространенный
тип лавин;
2. Снежно-ледяная – включающая кроме снежной массы также глыбы льда;
3. Щебнисто-снежная – захватывающая при движении дисперсные
подстилающие (обычно осыпные) отложения.
Природные факторы формирования и динамики лавин многообразны. К ним
относятся следующие:
 Снежная «подготовка» - перекристаллизация снега в толще, подтаивание
нижнего слоя, снижающее сцепление и силы трения;
 Геоморфологические условия - экспозиция склона, его крутизна,
морфология долины или склона и т.п.; в зависимости от крутизны склона
() смещение лавин разного состава происходит при углах:
o мокрый снег <15o;
o обычный снег =15-22o;
o фирн = 30-55o;
 Фитогенные условия – наличие на склоне растительности, деревьев,
задерживающих снег и т.п.;
 Климатические условия – количество выпадающего снега, интенсивность
и длительность снегопада, направление ветра при снегопаде, температура
воздуха и поверхности снега и т.п.;
 Сейсмические условия местности
8
Техногенные факторы динамики лавин
К техногенным факторам формирования и схода лавин относятся:
 Искусственные динамические воздействия на склон (взрывы и т.п.);
 Сведение древесной растительности – вырубка лесов на склонах, создание
открытых пространств;
 Неправильная застройка на склонах, приводящая к накоплению снежных масс
до критического уровня;
 Непосредственные механические воздействия людей на снежный покров
(лыжники и т.п.).
Из этого перечня наиболее серьезными являются искусственные динамические
воздействия на горные склоны, оказываемые человеком при разработке полезных
ископаемых, работе мощных механизмов и тяжеловесного транспорта, взрывы и т.п.
Строительство в лавиноопасных районах должно осуществляться с учетом и мерами
предотвращения схода лавин.
Изучение и прогноз динамики лавин
Изучение в инженерно-геологических и эколого-геологических целях лавин
предполагает оценку количественных параметров, отражающих ведущие факторы
активизации лавины, отмеченные выше. Необходимо иметь ввиду, что полевое
обследование лавиноопасных склонов представляет довольно сложную задачу, т.к.
непосредственный выход исследователя на такой склон опасен. Поэтому, для оценки
параметров лавинообразования в основном применяются дистанционные методы и
автоматизированные системы наблюдений. При этом выявляется основной, ведущий
фактор лавинообразования – причина процесса.
Для количественной оценки лавин согласно СНиП 22-01-95 определяются
следующие показатели:
Площадная поверхность лавиноопасной
территории, %
Площадь проявления, км2
Объем единовременного выноса, млн. м3
Продолжительность, c
Повторяемость, ед. в год.
Прогноз динамики схода лавин составляется на основе учета всего комплекса
лавинообразующих факторов. Для составления прогнозов применяются:
 Анализ ведущих факторов;
 Мониторинг лавинной обстановки;
 Расчетные методы
 Моделирование.
Расчетные методы позволяют оценить устойчивость лавиноопасного склона и оценить те
или иные критические параметры, нарушающих условия устойчивости. В ходе расчетов
определяют коэффициент устойчивости (Ку) снежной толщи на склоне, рассчитываемый так же,
как и для оползней
Меры защиты делятся на две группы:
9


профилактические - горнолавинная служба и горнотехнический надзор;
прогнозирование времени схода лавин, искусственный сброс лавин с
помощью обстрела и взрывов;
инженерные - предупреждение соскальзывания снега в лавиносборах путём
облесения (фитомелиорация), застройки склонов и укрепления их опорными
сооружениями; отвод лавин от защищаемых объектов направляющими
дамбами, лавинорезами; пропуск лавин над объектом с помощью навесов и
галерей).
Для территорий, подверженных лавинной опасности, составляются специальные карты, на
которых выделяются районы со значительной, средней и слабой лавинной опасностью, а также
районы с потенциальной опасностью (в настоящее время безопасные, но могущие стать
лавиноопасными при вырубке лесов, выемке грунта на склонах и т.п.).
10