3.4. Современные геологические процессы и явления
К числу важнейших факторов формирования инженерно-геологических условий относятся современные геологические процессы, представляющие собой наиболее быстро развивающийся компонент природно-техногенной системы, во многом обуславливающий динамичность инженерно-геологической обстановки. Закономерности развития современных геологических процессов и сопутствующих им явлений на территории юго-востока Беларуси и города Гомеля, в частности, неоднократно рассматривались в литературе [5, 17, 31, 43, 46, 47, 60, 61, 62, 63, 74, 78, 82, 83, 84, 85, 88, 135 и др.].
Несмотря на относительно выровненный характер, земная поверхность в пределах г. Гомеля и его окрестностей испытывает разнообразное и интенсивное воздействие различных природных и техногенных геологических процессов. По основному источнику энергии эти процессы подразделены на три класса: эндогенный, экзогенный и техногенный. Как показали проведенные работы, характер их проявления и интенсивность значительно варьируют по площади. При этом особенности эндогенных процессов согласуются со структурой фундамента и нижних горизонтов чехла; экзогенные контролируются преимущественно строением рельефа, покровных отложений и хозяйственной деятельностью, а техногенные – размещением общественного производства.
Эндогенные процессы рассмотрены в разделе 3.2.
Среди экзогенных геологических процессов наиболее распространенными на рассматриваемой территории являются аквальные (водная линейная эрозия, плоскостной смыв, термокарстовые и суффозионные просадки), гравитационные (оползневые, обвально-осыпные, крип), эоловые и биогенные (торфонакопление) процессы (рисунок 3.8). Причины развития их обусловлены не только природными факторами, но и инженерной деятельностью человека.
Эрозионные процессы широко развиты на изучаемой территории и проявляется как в виде боковой эрозии в долине р. Сож, так и на участках распространения временных водотоков.
Длина р. Сож на территории города равняется 14,42 км, ширина голоценового вреза варьирует в пределах 1-2 до 3-4 км, а глубина – от 12 до 25 м, мощность аллювия 8-10 м [84]. Практически на всем протяжении русло реки подвержено донной эрозии. Наиболее интенсивное ее проявление приурочено к территориям, испытывающим современные тектонические поднятия, а также в местах, где речная долина пересекается геоактивными зонами.
Речная боковая эрозия проявляется в подмыве и разрушении берегов, т.е. в расширении долины. В долине р. Сож боковая эрозия преимущественно развита у правого коренного берега, иногда в этот процесс вовлекаются уступы второй надпойменной террасы. Русловые процессы действуют круглогодично, но наибольшая их интенсивность отмечается в периоды половодий и паводков, когда наблюдается увеличение расходов и скоростей течения рек. Уровни реки поднимаются на 3,5-5,5 м, в результате чего пойма затапливается, происходит разрушение и подмыв уступов террас и склонов коренных берегов [17]. Важными факторами боковой эрозии служат геоморфологическое строение речной долины, состав и свойства горных пород, слагающих русло и берега, а также хозяйственная деятельность человека.
Весенние половодья и паводки являются характерной фазой режима реки и каждая крупная водная артерия характеризуется своими отличительными чертами гидрологического режима. В бассейне Сожа ширина разливов в основном составляет 2-3 км, глубина затопления поймы 0,5-1,0 м и более. Однако следует учитывать, что не исключены такие фазы гидрологического режима, при которых может происходить резкий подъем уровней воды до 5 м и более. На картосхеме (рисунок 3.8) оконтурены границы максимально возможного затопления и подтопления района исследований при экстремальных половодьях и паводках, во время которых резко увеличивается деструктивная (углубление русел, подмыв берегов, спрямление меандров) и конструктивная (отложение аллювиальных наносов на пойме, рост прирусловых валов) деятельность рек.
В целом же для территории исследований на основании полученных данных и информации, содержащейся в многочисленных опубликованных картографических работах, можно сделать следующие основные выводы о внутригодовом режиме процесса речной боковой эрозии в долине р. Сож. Особенности разрушения берега прямо связаны с гидрологическим режимом реки. Основным периодом активизации боковой эрозии является весеннее половодье (апрель-май месяцы), на некоторых участках наблюдается также активизация процесса в осенний паводок (октябрь-ноябрь месяцы). Наибольшие скорости размыва берегов зафиксированы в апреле и составляют в среднем 0,1-0,5 м/год. В летние месяцы проявлений боковой эрозии практически не наблюдается. Наиболее активно подмываются и разрушаются берега, сложенные песчаными отложениями, затем берега, которые построены переслаиванием песчаных и связных пород; более устойчивыми являются склоны из моренных супесей и суглинков. В пределах какого-либо одного наблюдаемого участка скорость развития боковой эрозии разная за счет морфологии, геологического строения берегов и гидродинамических особенностей речного потока.
Огромную работу по преобразованию рельефа, а следовательно, и осложнению инженерно-геологической обстановки территории, наряду с речной эрозией, проводят временные водотоки. С их деятельностью связано образование промоин, а также мелких и глубоких ветвящихся и нередко энергично растущих оврагов на склонах гряд, холмов, речных долин, карьеров, а также плоскостной смыв продуктов выветривания на склонах.
В поозерское время на возвышенностях и по бортам долин началось развитие оврагов и балок, которые существуют до настоящего времени [70]. На территории г. Гомеля на площадях, подверженных линейной эрозии, можно выделить три типа оврагов: донные, береговые и техногенно обусловленные [43]. Овраги первого типа развиваются в результате повторного цикла эрозии. Они врезаются в ложбины стока ледниковых вод и днища древних балок. Обычно эти овраги имеют разветвленную, иногда линейно-вытянутую форму с многочисленными зарождающимися отвершками как в вершинах, так и вдоль стенок оврагов. Длина этих оврагов достигает 0,4 км; глубина вреза 0,3-0,8 м; крутизна стенок варьирует от 50 0 до 90 0.
Овраги второго типа приурочены к склонам речных долин. Они получили широкое развитие в районах крутых уступов надпойменных террас, а также на участках пересечения долинами рек возвышенностей. Поперечный профиль оврагов чаще U-образный, реже V-образный, по форме явно преобладают линейно-вытянутые и булавовидные разновидности. Развитие многих из них к настоящему времени прекратилось и по сути дела они превратились в балки, по дну которых дренируется подморенный водоносный горизонт. Глубина балок достигает 18-20 м и более. Склоны их крутые, чаще всего задернованные. По некоторым балкам проложены грунтовые дороги, вдоль обочин которых зарождаются рытвины, обуславливающие под влиянием антропогенных нагрузок возвратно-поступательное развитие овражно-балочного рельефа. Почти все боковые отвершки в балках также задернованы, что фактически свидетельствует о затухании эрозионных процессов. Присклоновые участки балок чаще всего закреплены растительностью или изменены техногенным вмешательством. Поверхностный сток в этих условиях переходит в подземный. Преобладание поверхностного стока наблюдается только в некоторых боковых отвершках древних балок и в прибортовой части второй надпойменной террасы, где появляются повторные врезы на глубину до 0,6-1,0 м и более. Анализ существующей литературы [117], позволяет предположить, что протяженность некоторых оврагов на территории города достигает более 2 км; чаще же длина их не превышает 500 м, ширина до 300 м. Такие овраги развиты по ул. Фрунзе, Билецкого, Ланге, Сожской, К. Маркса, Хатаевича, Чехова, в районе Дворца спорта «Динамо», около кинотеатра «Юбилейный»; некоторые из них пересекают ул. Советскую, Барыкина, пр-т Ленина. Многие овраги засыпаны в результате техногенной деятельности человека, поэтому их строение и развитие в рамках данной работы проследить не представляется возможным.
Техногенно обусловленные овраги возникают в результате хозяйственной деятельности человека. К их числу относятся придорожные формы линейной эрозии. Кроме того, в связи с нарушением дернового покрова, процесс формирования промоин и рытвин интенсивно происходит на правобережном склоне долины р. Сож (рисунок 3.10). Возникающие при этом формы обычно молодые и очень активные.
На территории города распространены широкие балки разветвленной или линейно-вытянутой формы с выположеными задернованными склонами. Длина их достигает 3 км при ширине до 600 м. Они распространены от микрорайона Прудок в сторону ул. Федюнинского и ул. Советская до северной границы города. Зачастую по дну балок проложены железные и автомобильные дороги.
В результате плоскостного смыва на поверхности склонов происходят размыв, транзит и аккумуляция материала, а также вынос его в эрозионную сеть. Основной морфологический эффект плоскостного смыва выражается в выполаживании территории (медленная денудация повышенных участков и заполнение котловин) и формировании значительных делювиальных шлейфов у подножия склонов. Плоскостной смыв отмечается преимущественно на распаханных поверхностях моренных и водно-ледниковых равнин при крутизне от 10 и более. Наиболее активному плоскостному смыву подвергаются крутые части склонов, откуда рыхлый материал перемещается к подножью, в ложбины, балки и овраги, что приводит к накоплению делювиально-пролювиальных отложений. Согласно «Карты динамики рельефа Белоруссии», для территории Гомельского района характерны незначительные (0,1 мм/год) величины плоскостного смыва, увеличивающиеся на востоке и юго-востоке района до 1,0 мм/год [82]. На отдельных участках, преимущественно на юго-западе, плоскостной смыв практически отсутствует. Интенсивность этих процессов зависит преимущественно от климатических и морфометрических особенностей, а также вида сельскохозяйственных угодий, предшествующей агротехнической обработки и др.
Рис 3.10 – Образование промоины в районе улицы Садовая.
В пределах изучаемого района довольно широко распространены также суффозионные и термокарстовые просадочные явления. Просадки выражены в виде западин с пологими склонами, ровными днищами, часто заболоченными, размерами 150–600 м в диаметре. Термокарстовые западины приурочены, в основном, к участкам водно-ледниковой и моренной равнин (северо-запад территории) [17, 155]. В настоящее время термокарстовые явления не развиваются.
Суффозионные процессы на исследуемой территории тяготеют преимущественно к участкам развития лессовидных отложений, расположенных в северо-западной ее части. Естественные проявления суффозии на изучаемой территории развиты незначительно. Но, следует иметь в виду, что эти процессы могут протекать и в насыпных грунтах, например, вдоль трасс подземных коммуникаций, вызывая образование воронок на поверхности земли, что широко развито на территории города (рисунок 3.11).
Рисунок 3.11 – Суффозионный провал по улице Трудовая.
Суффозия отмечается также в пределах засыпанных больших оврагов, поскольку они продолжают служить, правда, в меньшей мере естественными дренами (рисунок 3.12).
Строительство на сравнительно крутых склонах, в частности создание котлованов и длительная работа по нулевому циклу, может способствовать активизации суффозии как в смысле создания условий для разгрузки, так и при формировании больших напорных градиентов фильтрационного потока из-за беспрепятственного поступления в толщу атмосферных осадков.
Почти также широко, как и аквальные процессы, на рассматриваемой территории протекает гравитационная денудация, подразделяющаяся на природную и инженерно-геологическую. Природные формы гравитационной денудации обусловлены подмывом берегов рек и вековой переработкой склонов и развиты преимущественно в речных долинах, оврагах и балках [43, 82]. Участки интенсивных обвально-осыпных и оползневых процессов на исследуемой территории связаны, в основном, с деятельностью р. Сож.
Инженерно-геологические гравитационные процессы проявляются особенно интенсивно на вскрышных уступах карьеров, насыпях и выемках шоссейных и железных дорог, откосах каналов, дамб, плотин, техногенных отвалах, складируемых на поверхности земли [60, 61, 62, 63].
Рис. 3.12 – Развитие суффозионного процесса по трассе коллектора дождевых вод, ул. Хатаевича (сентябрь 2003 г.).
К группе гравитационных процессов, развитых на территории г. Гомеля относится и крип или медленное перемещение материала на склонах под влиянием силы тяжести в результате периодического изменения температур и влажности. Крип приурочен, как и плоскостной смыв, к участкам пологоволнистой и пологоувалистой водно-ледниковой равнины. Для рассматриваемого процесса характерна частая смена знака движения по профилю склона и во времени; кроме того, интенсивность перемещения материала на одном и том же месте в разные годы может быть разная. Обычно же эта величина не превышает 2 мм/год [82]. Крип может оказывать влияние на покровные отложения на глубину не более 0,5 м. Морфологически он наиболее заметно выражается в виде террасет, которые формируются в результате неравномерного движения грунтов и возникающих при этом зон сжатия и растяжения.
Эоловые процессы, объединяющие дефляцию, перенос и аккумуляцию материала, в районе исследований проявляются в образовании дюн и песчаных гряд, высотой 2-3 м, иногда до 10 м, различной ориентировки и размеров. Дефляционные процессы (реальные и потенциальные) охватывают, главным образом, прилегающую к г. Гомелю пойму Сожа и террасированные поверхности. Интенсивному развитию ветровой эрозии способствуют механический состав поверхностных отложений, состояние почвенно-растительного покрова, значительные скорости ветра, сочетаний термических условий и увлажнения. Как показали ранее проведенные работы, г. Гомель и прилегающая к нему территория, относится к районам со средней вероятностью проявления экстремальной ветровой эрозии (пыльных бурь).
Еще одна группа современных геологических процессов в пределах и вблизи городской территории, как и на всем юго-востоке Беларуси, связана с формированием болот и торфяников. Эти процессы начались в поозерское позднеледниковье и продолжались в течение всего голоцена, когда определялся основной облик ландшафтов территории. На этом общем фоне выделяется несколько этапов, связанных обычно с изменениями климата и тектоническими процессами, когда заболачивание территории протекало особенно активно. Выделяются две фазы интенсивного развития болот в Полесье: позднебореальная (преимущественно заторфование водоразделов) и атлантическая (заторфование речных долин) [17].
На территории исследований болота и заболоченные земли занимают 20-30 % территории. Они тяготеют к поймам рек, пониженным участкам террас, водно-ледниковой равнины, озерных котловин, денудационных ложбин, термокарстовых и суффозионных западин.
Факторы заболачивания территории разнообразны, однако в основе их лежат две причины. Во-первых, превышение увлажнения земной поверхности над испарением. Заболачивание происходит при избыточном увлажнении верхнего слоя атмосферными осадками или водами поверхностного стока при высоком стоянии уровня грунтовых вод, а также в результате затопления или подтопления речными водами и, в отдельных случаях, за счет выхода на поверхность напорных вод. Во-вторых, заболачивание развивается на выровненных поверхностях и при небольших уклонах террас. Воды могут задерживаться на таких участках продолжительное время, в результате чего и возникают болота. Основная часть торфяных массивов района по типу питания, характеру растительности, составу торфа относится к низинному типу и, лишь малая часть, преимущественно на водоразделах, – к переходному. Мощность торфа составляет в среднем 1-2 м. Вместе с тем отмечаются массивы, приуроченные к площадям наиболее пониженного рельефа, где мощность слоя торфа увеличивается до 4-5 м.
В целом для описываемой территории можно отметить, что почти на всех болотах болотообразовательные процессы в основном находятся в стадии регрессии – наблюдается уплотнение торфа. Однако в поймах рек Сож и Ипуть образование болот продолжается и в настоящее время. Большое количество стариц и весенние разливы благоприятствуют развитию болотообразовательных процессов.
Благодаря хорошей дренированности территории, процессы торфонакопления протекают медленно.
Довольно активно на территории г. Гомеля протекают современные техногенные процессы, которые обуславливают преобразование земной поверхности, формирование своеобразных грунтов и форм рельефа. Уровень техногенной трансформации рельефа в районе г. Гомеля за последние 200 лет соответствует 45-65 тыс.т/км2 [85].
Одним из наиболее характерных проявлений техногенных процессов являются осадки оснований инженерных сооружений. Они формируются за счет статических нагрузок от гражданских и промышленных зданий и сооружений, отвалов пустой породы, намывных грунтов; динамических нагрузок от транспорта и технологического оборудования промышленных предприятий; а также возникают при строительстве подземных сооружений (коллекторы, подземные переходы), эксплуатации безнапорных и напорных водоносных горизонтов. Осадки под действием статических нагрузок происходят в результате уплотнения грунтов оснований около каждого здания, где образуются осадочные воронки. Край воронки выходит за контуры здания, ее размеры определяются характером эпюры напряжений в сжимаемой толще грунтов, мощность которой зависит от состава, состояния, свойств отложений и величины нагрузки. В условиях плотной застройки осадочные воронки смыкаются, образуя достаточно обширные понижения поверхности [86].
Динамические нагрузки по-разному воздействуют на породы, в зависимости от особенностей их состава и структуры, в результате чего происходит уплотнение рыхлых недоуплотненных пород (при степени плотности менее 0,6) и нарушение структуры тиксотропных грунтов [86].
Подземное строительство вызывает изменение напряженного состояния, возникновение различных деформаций в толще пород и образование мульд оседания.
При искусственном водопонижении (эксплуатационных и строительных откачках) снижаются уровни подземных вод, падают напоры, что ведет к гидростатическому и дегидратационному уплотнению пород, в результате чего также наблюдается оседание земной поверхности. На изменение инженерно-геологических условий влияет и создание мелиоративных систем. Отдельно необходимо упомянуть об оседании поверхности земли над засыпанными оврагами, ручьями, речками. Это явление может отмечаться повсеместно, поскольку грунты, заполнившие отрицательную форму рельефа, находятся в разуплотненном состоянии.
Для территории г. Гомеля, как и для многих других городов, характерен процесс повышения уровня грунтовых вод, вплоть до подтопления жилых зданий и промышленных объектов. Причины подтопления разнообразны. Здесь и создание водоемов, вызывающих подпор грунтовых вод; и засыпка естественных дрен – оврагов; искусственное дождевание; ограничение участков, на которых выпадавшие атмосферные осадки могут проникать в грунт (уплотнение грунтов, асфальтирование); «барражный» эффект фундаментов сооружений, и утечка из водонесущих коммуникаций и отсыпка техногенных грунтов, имеющих водонепроницаемые (слабопроницаемые) прослои [24].
И еще одна особенность подтопления городских территорий – с ним практически всегда связаны химическое и бактериальное загрязнения, рост температуры и агрессивности грунтовых вод. Степень загрязнения подземных вод территории г. Гомеля изменяется от средней, т.е. выше фона, но ниже ПДК; до очень высокой, т.е. выше ПДК. Загрязнено два или более водоносных горизонта [14, 15, 16].
Загрязнение геологической среды различными веществами влечет за собой не только экологические последствия, но и оказывает влияние на изменение физико-механических свойств грунтов, а, следовательно, на устойчивость зданий и сооружений.
В заключение рассмотренных особенностей проявления техногенного фактора на исследованной территории нельзя не упомянуть о горных выработках, связанных с добычей песка и глин, которые разбросаны по всей площади города. В земной поверхности на этих участках возникают карьеры, которые нередко рекультивированы в водоемы. В отдельных случаях карьеры спланированы и заняты под постройки.