Эрозионные и склоновые процессы

Эрозионные процессы

Эрозионные процессы – комплекс процессов размыва почв, грунтов, берегов и русел рек, осуществляемых водными потоками, один из факторов формирования рельефа и стока наносов. Различают эрозию почв (плоскостной смыв), производимую на склонах временными нерусловыми потоками талых и дождевых вод, овражную эрозию, связанную с деятельностью временных потоков, сосредоточивающихся в бороздах и других линейно вытянутых понижениях на склонах, в балках, и речную эрозию. Нормальная эрозия почв отвечает условиям, при которых смыв поверхностного слоя не превышает накопления в почве гумуса в процессе почвообразования. Ускоренная эрозия почв сопровождается потерей гумуса, не компенсируемой почвообразовательным процессом, в результате чего снижается естественное плодородие почв; обычно отождествляется с антропогенной эрозией почв, так как связана с распашкой земель и заменой естественной растительности искусственными посевами. Эрозия почв осуществляется пластовыми потоками, покрывающими поверхность склона сплошной пленкой, или ручейками, возникающими при поступлении воды в неровности микрорельефа склонов и во вновь образовавшиеся первичные эрозионные борозды, непостоянные во времени благодаря непрерывному изменению своего положения. Овражная эрозия развивается, если в первичной эрозионной промоине (борозде) сосредоточивается такое количество текущей воды, расход (см.) которой может удалить поступающий в поток твердый материал с выше расположенного участка, а также при врезании потока и обрушении бортов промоины. Это условие зависит от размеров водосборной площади промоины, уклона склона, механического состава почв и других факторов. Часто под Э.п. подразумевают эрозию почв и овражную эрозию. Речная эрозия подразделяется на боковую эрозию — размывы берегов рек, приводящие к смещению их русел и расширению долин, и глубинную эрозию,сопровождающуюся размывами дна рек и углублением речных долин. Геоморфологический эффект глубинной эрозии рек сказывается в геологическом масштабе времени. Боковая эрозия связана с устойчивостью речных русел и, в зависимости от размываемости горных пород, слагающих берега, может принимать катастрофические размеры (дейгиш на Амударье вызывает отступание берегов на сотни метров за несколько суток) или так же сказывается лишь на протяжении тысячелетий; обычно размывы берегов (боковая эрозия) происходят со скоростью 2—10 м/год. Э.п. приводят к смыву почв, снижению их плодородия, расчленению земель оврагами, разрушению сельскохозяйственных угодий, инженерных объектов и коммуникаций, что обусловливает необходимость их прогнозирования и разработки мер по предотвращению или защите.

Склоновые процессы

Суть склоновых процессов  состоит в том, что под действием  силы тяжести — с помощью воды или без нее, иногда при участии  мерзлотных процессов — породы, слагающие склон, сносятся с его  верхней части к подножию, где  и отлагаются. При этом, если склон предоставлен сам себе — не подрезается рекой либо волнами моря или озера, не участвует в тектонических движениях, — он постепенно выполаживается, то есть становится положе. Именно в склоновых процессах наиболее четко и непосредственно проявляется влияние силы тяжести. 
Эта группа процессов объединяется не столько действующим фактором, сколько местом действия этого фактора. Процессы называются склоновыми потому, что действуют на склонах и преобразуют в первую очередь их. Проявляются склоновые процессы тем сильнее, чем круче склон. Можно считать, что на склонах крутизной менее 2—3° эти процессы уже не действуют. 
Склоновые процессы сопровождают любой вид экзогенных процессов и многие виды эндогенных и связаны с ними настолько тесно, что кажутся входящими в состав этих процессов; исследователи не рассматривают склоновые процессы самостоятельно, о них забывают. Так, говорят, что деятельностью текучих вод создаются речные долины; между тем одна только деятельность текучих вод могла бы создать в горных породах лишь узкую щель, на дне которой течет вода; на самом же деле широкие долины равнинных рек и узкие каньоны горных — это результат совместного действия текучих вод и различных склоновых процессов.

Образование речной долины в результате работы реки и  склоновых процессов

Породы, подвергшиеся выветриванию, готовы к движению. Если склон крут, обломок  породы может просто упасть с обрыва или скатиться со склона. Падение  обломков происходит неравномерно во времени и в пространстве. Склон  может быть в разных местах сложен различными породами, и там, где порода интенсивнее выветривается, интенсивнее  идет и перемещение обломков вниз по склону. В одном и том же месте при тумане или дожде  обломки падают заметно чаще, чем  в сухую погоду. Во много раз  усиливается падение и скатывание обломков при землетрясениях. 
Падение или скатывание мелких обломков (песка, дресвы, щебня) называется осыпанием; если падают или скатываются крупные обломки, — это камнепад; когда по склону сходит большая масса породы, которая в процессе движения дробится, перемешивается, — это обвал. Обломки у подножия склона, накопившиеся в результате осыпания и камнепадов, образуют осыпь. Осыпь может располагаться более или менее равномерной полосой вдоль склона, но чаще склон бывает неровным, его прорезают борозды, промытые водой, и сильнее всего осыпание идет именно по этим бороздам, под которыми осыпь приобретает форму наклонного конуса, прислоненного к склону.

Осыпной склон и конусы осыпи 
По О.К. Леонтьеву и Г.И. Рычагову

Характерные особенности отложений, образовавшихся у подножия склона в  результате осыпания и обваливания, — достаточно хорошая устойчивость обломков и их сортировка по крупности. Обломок, скатывающийся со склона, обладает кинетической энергией и затормозиться  может только там, где подстилающая поверхность создает достаточно большое для этого сопротивление; поэтому, будучи заторможен, обломок  ложится довольно прочно. Большой  обломок обладает большей кинетической энергией, чем маленький, его труднее  затормозить, поэтому он прокатывается  дальше; в результате верхняя часть  осыпи оказывается сложенной  мелкими обломками, а крупные  скапливаются у ее нижнего края —  особенно хорошо это видно там, где  крупность падающих обломков заметно  различается.

Значительно способствует склоновым  процессам вода. Вода, которая медленно стекает во время дождя или  при таянии снега по всей поверхности  склона, может переносить мелкие частицы  грунта с верхней части склона и откладывать их внизу; отложения, накопившиеся таким образом у  подножия склона, носят название делювий (от лат. deluo — смываю). 
Вода, просачивающаяся в горные породы, которыми сложен склон, меняет их свойства и способствует ускорению склоновых процессов. Так образуются, например, оползни. Оползни различаются по форме, по расположению относительно залегания слоев, в частности водонепроницаемых пород; рассмотрим один из наиболее распространенных их типов.

Оползень

В основании склона лежат  глины; если они станут влажными, набухнут, поверхность их слоя будет скользкой  и лежащие выше породы, особенно если они, пропитавшись водой, стали  тяжелее, могут прийти в движение. Значительный объем породы (это могут быть десятки кубометров, а могут быть и миллионы) отрывается от склона, с которым раньше составлял единое целое, и соскальзывает вниз. Образуется стенка отрыва, дугообразная в плане, — оползневой цирк; вглубь стенка отрыва продолжается в виде поверхности скольжения, которая в верхней своей части сечет слои, в нижней же обычно совпадает с кровлей водонепроницаемых глин. Тело оползня запрокидывается, его верхняя поверхность приобретает уклон, противоположный общему уклону склона. Верхняя площадка оползня может быть очень большой; в долине Мезени есть деревня, стоящая на оползневом теле. Деревья, растущие на теле оползня, наклоняются вместе с поверхностью, но их вершины продолжают расти вверх, и стволы постепенно становятся искривленными, саблевидными .

Оползневой склон  в долине Енисея, ниже Красноярска 
Видны запрокинутые поверхности оползневых тел и саблевидные березы 

Разница между оползнем и обвалом  состоит в том, что обвал сходит стремительно, оползень же может произойти  мгновенно, но может двигаться и  медленно; в обвале масса горной породы дробится, перемешивается, а  в оползне сходит как единое тело.

При больших обвалах могут быть перемещены огромные количества породы. Так, в 1911 г. на Памире произошел в  результате землетрясения знаменитый Усойский обвал, создавший в долине реки плотину, выше которой образовалось Сарезское озеро. Объем обвала составил около 3 км3, вес — около 7 млрд т. Такое количество породы Амударья переносит за 25 лет, Волга — за 250 лет (правда, реки переносят материал на гораздо большее расстояние).

К числу процессов, формирующих  склоны, относят лавины — снежные  обвалы. Снег, обрушиваясь со склонов, увлекает за собой обломки горных пород, а когда снег тает, эти обломки  остаются у подножия. Лавины чаще сходят по бороздам, промытым водой, снег накапливается  в водосборных воронках в верхних  частях этих борозд. Поэтому конусы под бороздами имеют смешанное  происхождение, они образованы и  водой и снегом.

Особенность склоновых процессов  состоит в том, что темп их весьма различен. Общая закономерность — чем круче и выше склоны, тем процессы интенсивнее. Поэтому в горах обвалы, камнепады наблюдаются гораздо чаще, чем на равнине. Но и в горах протекают медленные массовые движения, постепенно и незаметно преобразующие склон, а на равнине может произойти быстрое смещение огромных масс породы на склоне.

Лавины в разной степени  воздействуют на рельеф — в зависимости  от того, идут они по снежному покрову  или непосредственно по грунту. В  основном по снегу сходят лавины в  Хибинах; идут они преимущественно  зимой. Когда раскапываешь лавинный снег, он кажется совершенно чистым, и лишь когда лавинный завал начинает таять, на поверхности то тут, то там  появляются камешки, снесенные лавиной  со склона. Но лавины в большинстве  лавинных очагов сходят каждый год, в  иных местах и несколько раз за зиму, так что суммарный эффект их воздействия на склон оказывается  заметным. А на Кавказе лавины идут по преимуществу весной; перепады высот  там гораздо больше, так что  если лавина и пошла вначале по снегу, то ниже по склону она обычно выходит на грунт, потому что снег внизу уже стаял. Такая лавина захватывает гораздо больше частиц породы, ее рельефообразующее воздействие  значительнее.  
Наиболее распространенный, но наименее выразительный вид склоновых процессов исследовал в начале ХХ в. немецкий геоморфолог Вальтер Пенк; он назвал это явление массовыми движениями. Эти движения распространены повсеместно на склонах, сложенных рыхлыми породами, но знают о них сравнительно мало, потому что они не создают специфических форм рельефа. Движение происходит неравномерно, но довольно медленно, по всему склону, захватывая порой значительный по мощности слой породы. Растительность не препятствует массовым движениям — она движется вместе с породой.

Мероприятия по защите населения и сооружений от опасностей, обусловленных экзогенными процессами

Защита от опасностей, обусловленных действием поверхностных вод и ветра, предусматривает ряд организационных, инженерно-технических и других мероприятий, проводимых в комплексе с решением вопросов экологической безопасности территорий, подверженных риску возникновения опасностей.

Защита от опасностей эрозионных и аккумулятивных процессов выработана многолетней практической хозяйственной деятельностью человека и предполагает выполнение комплекса защитных мер на сельскохозяйственных землях, при строительстве и эксплуатации дорожно-транспортных коммуникаций, заготовках леса и других видах хозяйственной деятельности по использованию земель.

Противоэрозионные мероприятия на сельскохозяйственных землях подразделяются на:

-Организационно-хозяйственные;

-Агротехнические;

-Лесомелиоративные;

-Гидротехнические (инженерно-технические).

-Организационно-хозяйственные мероприятия охватывают целый комплекс мер по организации мониторинга землеустройства и землепользования, учета земельных фондов и землепользователей, исследовательских работ и принятия управленческих решений по выявлению опасных процессов, характерных для данной территории, рациональному комплексному использованию земель в зависимости от условий их состояния, порядка использования и выполнения природоохранных мероприятий при их использовании. Данные мероприятия не требуют значительных финансовых средств и зависят от степени компетенции органов управления и специалистов, выполняющих данные работы.

Агротехнические мероприятия по принципам  физического воздействия на эрозионные системы подразделяются на:

-Водозадерживающие;

-Водопоглощающие;

-Водосбросные;

-Повышающие противоэрозионную стойкость почв;

-Защищающие почву от непосредственного воздействия дождя и стока;

-Комплексные.

Агротехнические мероприятия направлены на задержание стока по всей поверхности  склона путем создания микронеровностей рельефа (лунок, гребней, валиков) или  увеличение водопроницаемости почвы, а также на сопротивляемость почв размыву, скрепляя ее мелкими корнями.

Особое место занимает лесомелиорация – посадка полезащитных лесных полос  и залесение наиболее крутых и эродируемых склонов. Противоэрозионное действие полос и залесение обусловлены увеличением водопроницаемости и поглощением стока, поступающего с вышерасположенных полей.

Инженерные методы защиты почв от поверхностной эрозии направлены на задержание, рассредоточение и эрозионно безопасный сброс воды со склонов и включает в себя сооружение разнообразных водозадерживающих валов, сбросных и нагорных валов-канав, распылителей стока. Самыми распространенными и экономичными инженерными мероприятиями защиты обрабатываемых земель считаются валы-террасы с широким основанием (на пашне) и ступенчатые террасы различных конструкций (на крутых склонах, отводимых под сады или залесение).

Инженерные гидротехнические мероприятия  требуют больших удельных затрат и поэтому применяются в основном в экстремальных по эрозии случаях  или при высокой стоимости  земли.

Инженерные методы защиты, применяемые  для защиты от поверхностного смыва  зданий и других инженерных сооружений (автомобильных и железнодорожных  трасс, трубопроводов) часто предусматривают  повышение противоэрозионной устойчивости самих поверхностей склонов путем  создания стойких покрытий (матерчатых, полимерных, металлических сеток  и т. д.) или нанесения клеящих  веществ (битумы, полимеры), повышающих прочность почвенной структуры. Преимуществом инженерных методов является постоянная круглогодичная готовность сооружений к работе при незначительных затратах на ремонт и эксплуатацию.

Основные направления предотвращения Овражной эрозии – рациональное использование приемов по задержанию, рассредоточению стока на склоновых водосборах, заблаговременное планирование территории при проектировании строительных площадок или трубопроводных трасс, а также дорожных работ.

Для этого применяются агротехнические  приемы на пашне, облесение или залужение оврагов и оврагоопасных склоновых водосборов, террасирование склонов, устройство разного рода гидротехнических сооружений и т. п.

При необходимости остановить развитие существующих оврагов используются, в основном, следующие приемы:

-Противоэрозионная организация территории на водосборах;

-Фитомелиорация;

-Террасирование склонов;

-Наброска щебня, возведение простейших инженерных сооружений в вершинах оврагов (плотин, запруд, грунтовых валиков) для увеличения шероховатости и снижения скорости потока в периоды половодья и паводков;

Хозяйственное использование оврагов (строительство прудов, выполаживание склонов, засыпка оврагов).

Методы защиты от опасных проявлений Русловых процессов зависят от видов и форм хозяйственной деятельности на реке и ее берегах

Главный принцип выполнения работ  – учет направленности русловых процессов, позволяющий:

-Избежать возможных неблагоприятных  (опасных) последствий на стадии  проектирования (ТЭО);

-Использовать процесс направленной  переработки берегов для получения  положительного эффекта (увеличение  глубины и устойчивости трассы  на судоходных реках, стабилизация  русла).

-Реализация данного принципа  достигается выполнением комплекса  мероприятий:

-Регулирование русла (сооружение  полузапруд, направляющих дамб);

-Разработка дноуглубительных прорезей;

-Спрямление излучин;

-Углубление ранее маловодных  рукавов и направление в них  основного расхода воды.

-Выполнение комплекса регуляционных  работ производится в рамках  естественных природных процессов  переформирования русла, когда  влияние на русловые процессы  ограничивается закреплением наиболее  оптимального его состояния для  хозяйственного использования в  естественных условиях.

Одной из распространенных форм борьбы с опасными русловыми процессами является защита берегов от размыва  в местах размещения населенных пунктов, промышленных и хозяйствующих объектов и коммуникаций по берегам реки, подверженным размыву, посредством  выполнения

Борьба с заилением малых рек сводится к противоэрозионной защите на водозаборе, на более крупных реках, имеющих объекты хозяйственной деятельности (водозаборы, акватории портов, причалы), разрабатываются дноуглубительные прорези или выполняются регуляционные мероприятия с назначением стимулирования саморазмыва русловых образований.

При техногенном заилении рек производятся искусственные паводки или расчистка  русла с помощью дноуглубительной техники.

Переработка Береговой линии водоемов часто затрудняет, а иногда делает невозможным хозяйственное использование прибрежных территорий, что предопределяет необходимость проведения мероприятий по их инженерной защите.

Различаются три этапа (периода) защиты берегов: каменно-бетонный, бунный и пляжевый.

Первый этап закончился в 20-х (в  развитых странах) – 60-х (в бывшем СССР) годах ХХ века ввиду малой эффективности  и недолговечности каменно набросных  или бетонных сооружений пассивного типа, вторичными последствиями которого были разрушения пляжной части побережья  и примыкающих к ней территорий.

Второй, бунный, этап (период) преобладал до 80-х годов прошлого века, использование которого приводило к значительным эксплуатационным затратам и ухудшало экологическую обстановку на примыкающих территориях и акваториях.

Третий, современный, период характеризуется  переходом от пассивной защиты к  активным методам регулирования  волновых воздействий и потока наносов  с использованием свободных пляжей и различных проницаемых волногасящих конструкций, особенно эффективных на отмелых песчаных берегах, что значительно сокращает расход основных строительных материалов и обеспечивает возможность динамической стабилизации берега путем ускоренного перехода к стадии аккумулятивного развития.

Основным методом борьбы с заболачиванием является проведение инженерно-технических мероприятий по созданию дренажных сетей, позволяющих уменьшить степень увлажнения территории, приостанавливающих или обращающих вспять процесс заболачивания.

На стадии проектирования дренажных  сетей необходимо производство расчетных  методов мелиоративной гидрогеологии, не допускающих переосушение болот, которое приводит к деградации болотных комплексов и процессам деструкции, развевания и возгорания торфов.

Мероприятия по защите от Опасностей, обусловленных действием подземных вод, Требуют принятия мер и выполнения инженерно-технических мероприятий в зависимости от интенсивности происходящих процессов на определенных территориях и в определенных условиях.

Меры по обеспечению Противокарстовой защиты принимаются в зависимости от интенсивности проявления карстовых процессов.

Территории по интенсивности проявления карстовых процессов подразделяются на опасные, потенциально опасные и  неопасные для строительства  и жизнедеятельности (А. И.Шеко, 2002 г.).

Для опасных районов характерны следующие признаки:

- наличие на земной поверхности  проявлений карстового процесса  в виде воронок и оседаний, независимо от их формы и  размера;

- сильная закарстованность толщ горных пород (карстовые полости размером более 1 м, расположенные неглубоко относительно кровли закарстованных пород, незаполненных или заполненных слабым переотложенным материалом; наличие зон сильно раздробленных и интенсивно выщелоченных пород);

- отсутствие или локальное распространение,  или незначительная мощность (2-3 м) водоупоров;

- наличие вертикальной фильтрации  подземных вод, создающей условия  для суффозионного выноса рыхлых  отложений в закарстованные породы с градиентом вертикальной фильтрации более 3;

- приуроченность к погребенным  долинам, где возможна интенсивная  горизонтальная фильтрация;

- нарушение режима подземных  вод.

Потенциально опасные территории характеризуются меньшей степенью развития вышеперечисленных признаков, а именно:

- отсутствием проявлений карстового  процесса на земной поверхности;

- слабой закарстованностью (единичные карстовые полости, не превышающие 1 м, открытые или заполненные переотложенным материалом, незначительные зоны дробления и выщелачивания);

- наличием невыдержанных по мощности (менее 10 м) водоупоров;

- градиентом вертикальной фильтрации  не более 3.

Оценка территорий по степени опасности  проявлений карста и прогнозирование  возможного образования провалов производятся методом инженерно-геологических  аналогий по данным глубокого бурения  и геофизических исследований.

Противокарстовые мероприятия должны обеспечивать предотвращение или сведение до минимума возможных карстовых проявлений, представляющих угрозу для населения и для различных объектов, обеспечивать их устойчивость при внезапном проявлении карстового процесса.

Инженерно-геологические меры защиты зданий и сооружений включают основные меры:

Заполнение пустот и трещин в  закарстованных толщах путем цементации или битумизации, или с применением других нерастворимых материалов;

Закрепление несвязной толщи, перекрывающей  закарстованные породы, на всю ее мощность или на часть не менее 5 м;

Регулирование поверхностного и подземного стока для стабилизации или замедления карстово-суффозионных процессов;

Использование особых конструктивных элементов при устройстве фундаментов  зданий и сооружений на потенциально опасной территории.

Противосуффозионная защита Организуется и эффективно применяется в совокупности с противокарстовыми мероприятиями и, в зависимости от условий и скорости процесса, может быть активной, оказывающей прямое воздействие на опасные факторы процесса, и пассивной, не оказывающей прямого воздействия на процесс.

Защитные противосуффозионные мероприятия подразделяются на профилактические (до начала опасных процессов и строительства и эксплуатации зданий и сооружений в опасных зонах) и оперативные (в условиях взаимодействия процесса и сооружения).

Профилактические мероприятия  планируются в процессе разработки проектно-сметной документации или  в ходе эксплуатации зданий и сооружений в ходе их реконструкции и реализуются  в ходе строительно-монтажных работ  или в ходе реконструкции.

Оперативные мероприятия планируются  и осуществляются в ходе эксплуатации зданий и сооружений.

Классификация противосуффозионных мероприятий приведена в табл. 2.9.

Мероприятия по защите от процесса подтопления в настоящее время требуют значительных материальных и финансовых вложений и представляют собой комплекс мер, проведение которых необходимо как с начала проектирования, так и в ходе эксплуатации зданий и сооружений.

Для борьбы с подтоплениями и  чрезвычайными ситуациями, возникающими в результате резкого осложнения обстановки, требуется выполнение специальных  работ и оперативных мероприятий  с использованием значительных ресурсов – материальных, технических, интеллектуальных, начиная с дренажных работ  и завершая масштабными площадными осушительными работами.

При строительстве сооружений на грунтах, подверженных процессам Набухания и усадки, предусматривается комплекс мероприятий, в основе которых лежит принцип «сезонного колебания» грунтов, предусматривающий запас прочности. Применяются основные методы: механические, физико-химические и водорегулирующие.

К механическим методам относятся  полная или частичная прорезка глинистой  толщи фундаментом или ее замене на ненабухающие грунты.

Физико-химические методы основаны на внесении в глинистую толщу различных  солей, способных растворять, вступать в обменные реакции и повышать в обменном комплексе и поровом  растворе глинистой породы концентрацию катионов-коагулянтов, что снижает  поверхностную активность и уменьшает  набухаемость и усадку. Путем бурения скважин или прокладки шурфов вводится раствор извести или гипса.