Классификация оползневых явлений на склонах и откосах (по и.П. Иванову [7])

Тип оползня	Основная причина нарушения устойчивости	Характерные формы оползней
Абразионный	Проявляется на берегах морей и искусственных водохранилищ за счет разрушительной деятельности волн	Мелкие обрушения, глубокие вековые оползневые движения
Эрозионный	Вызывается боковой или донной эрозией	Мелкие (вызванные боковой эрозией), глубокие (вызванные донной эрозией)
Консистентный	Вызывается изменением консистенции пород в связи с дополнительным увлажнением	Сплавы, оплывины, поверх-ностные, цикличные, контак-тные
Пластический	Является результатом глубинной ползу-чести естественных склонов	Блоковые, контактные, с вы-пиранием
Сейсмический	Вызывается землетрясениями или взрывами и динамическими нагрузками	Тиксотропные, структурные, перенапряженные
Дополнительно напряженный	Возникает в результате остаточных напряжений или неотектонических процессов	Горизонтально перенапряжен-ные, неотектонические
Гидронапряженный	Проявляется при изменении режимов поверхностных и подземных вод	Взвешенные, гидродинами-ческие, за счет порового дав-ления
Суффозионный	Проявляется в результате выноса грунтовых частиц из песчано-глинистых отложений	Обрушения, цикличные, про-вальные
Антропогенный (техногенный)	Вызывается хозяйственной деятель-ностью человека	Нагруженные, переувлажнен-ные, подработанные и др.
Полигенетический	Связан с воздействием комплекса причин (не всегда выясненных)	Возможны все перечисленные выше разновидности

5.6. Прогноз устойчивости склонов и развития оползней

Прогнозы развития оползней в настоящее время составляются качественные и количественные, в зависимости от стадий инженерно-геологических исследований, их детальности.

КАЧЕСТВЕННЫЕ методы – это заключение о том, возникнут или нет на склоне в данной местности оползневые смещения. Это качественное заключение основывается на знании общих закономер-ностей развития оползней, на изучении инженерно-геологических условий участка, на который составляется прогноз (методы прогнозирования – инженерно-геологических аналогий, сравнительно геологический, геологического подобия).

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ методы – методы расчета коэффициента устойчивости и методы математического и натурного моделирования.

Прогноз, составленный любым методом, должен дать ответы на следующие вопросы (с разной точностью, детальностью).

1. Возможность нарушения равновесия склона.

2. Тип нарушения.

3. Масштабы, границы.

4. Механизм смещения.

5. Время смещения.

6. Скорость смещения.

Прогнозы оползней необходимы для предупреждения образо-вания оползней; для расположения сооружений в безопасном месте; для установления необходимости борьбы; для предотвращения аварий и человеческих жертв.

Выбор методов прогноза, точность его, достоверность и виды зависят от следующих факторов:

1. Величина территории (локальный, региональный).

2. Срок, на который составляется прогноз (долгосрочный – 10–100 лет, краткосрочный, экстренный).

3. Ценность сооружения, которому угрожает оползень.

4. Стадия исследования и степень изученности склона (предварительный, ориентировочный, уточненный).

5. Геологические условия склона.

6. Стадия развития склона или стадия развития оползня.

Емельянова Е.П. считает [4], что прогноз наиболее важен для следующих стадий развития оползней: 1 – стадия скрытой подготовки оползня, когда нет еще внешних признаков нарушения склона; 2 – стадия явной подготовки оползня с образующимися понижениями, трещинами у бровки склона и на удалении от нее; 3 – стадия повторных смещений.

Прогноз для первой стадии. Склон находится в неподвижном состоянии, но идет изменение степени устойчивости склона, которая характеризуется К_уст. Поэтому прогноз устойчивости склона и возможности развития оползней заключается либо в расчете коэффициентов устойчивости склонов, либо в качественной оценке.

Существует несколько методов расчета устойчивости склонов [12, 22], выбор которых зависит от состава и условий залегания пород на склоне, от рельефа склона, от формы возможной поверхности скольжения и других причин. Для расчета коэффициента устойчивости необходима расчетная схема склона – инженерно-геологический разрез склона. По результатам изучения геологического разреза определяют наиболее вероятную поверхность скольжения, которая может быть приурочена к ослабленным прослоям, трещинам, напластованиям или может предполагаться в однородных породах.

К_уст определяется с учетом напряжения пород по потенциальной поверхности скольжения преимущественно за счет веса пород и показателей прочности пород (С и ) на потенциальной поверхности скольжения.

Определяют коэффициент устойчивости (К_уст или ) для нескольких возможных поверхностей скольжения, сравнивают их и по наименьшему из них определяют наиболее опасную для нарушения устойчивости. Этот К_уст принимают за коэффициент запаса склона и по нему можно определить степень устойчивости склона.

Ниже приводится описание некоторых методов оценки устойчивости склонов, наиболее часто применяемых на практике [12].

Методы расчета коэффициента устойчивости

1. Для склона с явными возможными поверхностями скольжения (по напластованиям, по трещинам).

Метод применим для оползней консеквентного типа, для которых характерна плоская, плоскоступенчатая или волнистая наклонная поверхность скольжения. Примерная расчетная схема таких оползней показана на рис. 12. Условия равновесия оползня по плоскости скольжения I–I, будут определяться уравнением:

Т = N tg  + CL, (15)

где Т – составляющая силы тяжести (общего веса пород Р, слагающих оползень), стремящаяся сдвинуть оползень, Т = Р sin , тс; N – составляющая силы тяжести стремящаяся удержать оползень в равновесии, N = P cos , тс; tg  = f – расчетный коэффициент внутреннего трения пород, образующих поверхность скольжения или из зоны, прилегающей к этой поверхности; С – расчетное сцепление пород, образующих поверхность скольжения или слагающих зону, прилегающую к этой поверхности, тс/ м²; L – длина поверхности скольжения I–I, м;  – угол наклона поверхности скольжения.

Расчет обычно ведут для массива пород, шириной 1 м, выделяемого по линии расчетного геологического разреза (рис. 12-а). Определив по геологическому разрезу площадь S (м²) и, соответственно, объем V (м³) выделенного массива, определяют его вес

P = V  , (16)

где V – объем выделенного массива, V = S х 1, м³;  – расчетная плотность горных пород, слагающих оползень, тс/м³.

Затем определяют величины сил Т и N и составляют уравнение равновесия, а также определяют коэффициент устойчивости склона

. (17)

Рис. 12. Примерная расчетная схема оползня с наклонной плоской поверхностью скольжения:

а – расчетный геологический разрез; б – план оползневого участка

Если склон находится в предельном равновесии, коэффициент устойчивости должен быть равным единице. Если удерживающие силы превалируют над сдвигающими, склон имеет запас устойчивости, коэффициент  в этом случае больше единицы.

Расчет усложняется, если поверхности скольжения имеет неоднородный наклон, т.е. плоскоступенчатую форму. Такая форма поверхности скольжения возникает в тех случаях, когда она частично проходит по напластованию слоев, а частично по поверхностям трещин. В скальных и некоторых полускальных породах поверхность скольжения обычно полностью проходит по поверхностям трещин.

При возможном неоднородном наклоне поверхности скольжения I–I массив на геологическом разрезе разбивают на блоки с таким расчетом, чтобы в пределах каждого блока наклон поверхности скольжения был плоским. Затем определяют величину каждой составляющей силы Р суммированием в каждом блоке.

2. В однородном склоне – по возможной круглоцилиндрической поверхности.

Метод применим для склонов с однородным строением геологического разреза, где возможно развитие асеквентных оползней. Положение поверхности скольжения у асеквентных и части инсеквентных оползней определенно фиксируется только у их вершин по главному уступу или по трещинам (заколам) на склоне или откосе, а также более или менее определенно у их подошвы. Между этими двумя точками она чаще намечается методом интерполяции радиусом произвольной длины. Поэтому, чтобы получить наиболее достоверное состояние равновесия намечают несколько поверхностей скольжения радиусами разной длины в направлении от главного уступа или отдельных заколов в подошве. По каждой из намеченных поверхностей скольжения проверяют устойчивость склона. За наиболее вероятную поверхность скольжения принимают ту, по которой коэффициент устойчивости будет иметь наименьшую величину. Примерная расчетная схема таких оползней показана на рис. 13.

Рис. 13. Примерная расчетная схема для оценки устойчивости склона с однородным строением геологического разреза:

I–I, I–II – поверхности скольжения

Расчет в этом случае, как и в других, ведут для массива шириной 1 м, выделенного по геологическому разрезу. Так как поверхность скольжения I–I (как и I–I, I–II, и др.) на разных участках имеет разный угол наклона, массив в геологическом разрезе разбивают на блоки 1, 2, 3,…., i с таким расчетом, чтобы их ширина была ровна 0,1 радиуса кривой скольжения R. Как установлено, при такой ширине блоков расчет имеет достаточную точность. Определяют площадь S, объем V и вес P каждого блока способом, описанным выше. Из центра тяжести каждого блока опускается перпендикуляр и к точке пресечения проводят касательную, угол наклона которой характеризует средний угол наклона поверхности скольжения в пределах каждого блока.

Определяют длину L кривой скольжения I–I и значения составляющих силы тяжести для каждого блока – N₁, N_2, N_3, T_1, T_2, T₃…T_I.

Затем составляют уравнение равновесия и определяют коэффициент устойчивости склона:

 = ( f N_i + CL) /  T_i. (18)

3. Метод Маслова.

Это один из широко известных приближенных методов, названный автором методом равнопрочного откоса. Равнопрочным принято называть такой откос, у которого в любом горизонтальном сечении обеспечена устойчивость слагающих его горных пород, т.е.

(19)

где  – угол наклона откоса в пределах рассматриваемого горизонта горных пород; _ – угол сопротивления сдвигу того же горизонта пород при нормальном напряжении . Угол сопротивления горных пород сдвигу определяется из уравнения:

, (20)

где F_ = tg _ – коэффициент сдвига горных пород при нормальном напряжении .

Н.Н. Маслов коэффициент сдвига обозначает через F_P;  – сдви-гающее усилие;  – нормальное уплотняющее напряжение; С – общее сцепление.

В склоне или в откосе, где действуют напряжения от собственного веса горных пород, коэффициент сдвига на любой глубине Z_i равен:

(21)

где _ср – средняя плотность горных пород от поверхности земли до глубины Z.

Для равнопрочного откоса при предельном равновесии на каждом горизонте Z_i угол наклона откоса в пределах этого горизонта _i численно должен быть равен углу сопротивления сдвигу пород рассматриваемого горизонта.

Т аким образом, зная угол сопротивления сдвигу горных пород каждого горизонта, слагающих склон или откос, и учитывая распределение напряжений от собственного веса пород, можно наметить очертание устойчивого склона или откоса (рис. 14).

Рис. 14. Схема оценки устойчивости склона или откоса по методу

Н.Н. Маслова [12]

На рисунке видно, что в геологическом разрезе склона выделены три слоя с соответствующими характеристиками , , С. С учетом нормального уплотняющего давления от собственного веса пород ₁, ₂, ₃ определены значения коэффициентов сдвига F_1, F_2, F_3 и углы сдвига для каждого слоя _1, _2, _3. По значениям углов сдвига пород намечено очертание устойчивого откоса (2). Так как реальный склон (1) положе предельно устойчивого, то он устойчив.

Расчет коэффициента устойчивости затруднен сложностью получения исходных данных: величины напряжений в массиве пород склона, значений прочности, положения подошвы оползня или возможной поверхности скольжения. Для обводненных склонов и испытывающих сейсмические воздействия существуют методы с учетом этих составляющих [9, 12, 22].

Кроме того, для этой стадии подготовки оползня применяются методы моделирования напряженного состояния пород и разрушения – на эквивалентных средах, электрических и оптических моделях, методы аналогий, геологического подобия, инженерно-геологических аналогий или сравнительно-геологические (гл.4).

В 1969 г. было проведено прогнозирование устойчивости оползневого склона р. Томи в Лагерном саду Максимовым С.М. и Каменновой Ю.А. с целью оценки эффективности принятых противо-оползневых мероприятий. Выполнялось лабораторное моделирование методом фотоупругости (оптическое измерение напряжений) и тензо-метрической сетки. Изготавливалась модель из игдантина и измерялись напряжения и их изменение, распределение в модели, подобной массиву склона. В результате были сделаны выводы о причинах изменения напряжений, выявлены места концентрации напряжений и об эффектив-ности принятых противооползневых мероприятий. К сожалению, сегодня можно говорить, что прогноз не оправдался, т.к. разрушение склона все эти годы продолжается. Но причина, скорее всего, не в достоверности прогноза, а в особенностях инженерной деятельности на участке оползневого склона.

Прогноз на стадии явной подготовки. На этой стадии, в основном, проводится уточнение прогноза. Эта стадия у разных типов оползней имеет различную длительность. Иногда она настолько коротка, что никакие наблюдения и уточнения прогнозов практически невозможны. Например оплывины, образующиеся при выпадении большого количества осадков за короткий срок. У многих оползней эта стадия длится месяцами и даже годами и потому дает возможность уточнения прогноза в результате непосредственного наблюдения за предвестниками смещения оползня. На этой стадии даются чаще всего качественные прогнозы, например по наличию шумов, треска.

Количественный прогноз возможен только на основании измерения скорости деформации склона. Это возможно при режимных наблюдениях за поведением устойчивости склона или его отдельных участков. Затем устанавливают зависимость деформации от различных факторов: водонасыщение и т.д.

Прогнозы на стадии повторных смещений оползней. Смещения на оползневом склоне в эту стадию очень сложны и разнообразны. Они могут быть следствием повторного смещения всего тела оползня, или его отдельных частей, или образования оползней второго порядка.

Для этой стадии применяются следующие методы прогноза:

1. Качественные – на основе изучения морфологии оползня, строения его, обводненности, физико-механических свойств пород, сопутствующих геологических процессов и явлений, динамики развития оползня, стадии развития (движущиеся, приостановившиеся, остановившееся, закончившиеся) делается заключение о дальнейшем его развитии.

2. Вероятностно-статистические методы. Метод установления корреляционной зависимости между величиной перемещения, активиза-цией смещения и различными факторами: например, подрезки и перемещения в нижней части языка оползня, или между величиной перемещения и суммой атмосферных осадков, или уровнями подземных вод, паводков, землетрясений и т.д.

3. Количественные методы – расчет К_уст – определение соотношения удерживающих и сдвигающих сил [3, 9, 12, 22].

Методы прогнозирования устойчивости склонов и развития оползней детально характеризуются в литературе [3, 7, 12, 22].