Инженерная  геодинамика.

Введение 

Раздел  геологии, изучающий  изменения Земной коры (ЗК) называется геодинамика.  

Изменения в составе , структуре, рельефе ЗК называются геологическими процессами.  Они    развиваются    непрерывно     под    влиянием    факторов эндогенной и экзогенной природы. 

Геологические процессы совершают гигантскую работу по преобразованию рельефа и вещества ЗК. Согласно расчетам, средняя высота суши над морем 750м.За 8,3 млн лет  твердое вещество суши может быть снесено в океан в результате водной эрозии. Каждый год реками удаляется с суши 50 мрд т вещества . (Человек перерабатывает 100 мрд т грунта). 

НО…эндогенные процессы рождают новые формы  рельефа земной коры.

Историческая  геология свидетельствует о неоднократном  разрушении грандиозных горных систем. Но континентальный рельеф существует, поскольку действуют силы, непрерывно созидающие сушу. 

Инженерная  деятельность человека концентрируется в самых верхних частях Земной коры. Геологические процессы  развивающиеся при участии человека называют инженерно-геологическими (ИГ) или техногенными. 

Дисциплина  инженерная геодинамика изучает изменения в поверхностной части земной коры в связи с инженерной деятельностью человека.

Цель  дисциплины : разработка рекомендаций по защите ПГС и территорий от негативного  влияния ИГ-процессов. 

Своей деятельностью  человек способен изменить силу и направление геологических процессов, НАПРИМЕР:

- Укрепить берег  и  остановить его разрушение;

- предотвратить   разрушение вечной мерзлоты в  городе;

-  остановить развитие оползней.

-  предотвратить  подтопление городских территорий     и т.д. 

В его силах  совершить и обратное. 

ПРИЧИНЫ и ФАКТОРЫ развития ИГ-процессев. 

Основой формирования геологического процесса является горная порода (грунт). Каждая порода по-разному меняется на воздействие одного фактора.

ПРИМЕР. С подъемом УГВ песок пропускает воду почти не меняя свойств, лессы увлажняются и обнаруживают   провальную осадку, глина же водонепроницаема.   

Другой аспект формирования ИГ-процессов – обязательные факторы. Без них процессы возникнуть не могут.

 ПРИМЕР.   

1)- Карстовые пещеры формируются  при

  проявлении трех факторов одновременно:

  -наличия растворимых пород

  -наличия растворителя

  -наличия гидродинамического режима.

  2) Подтопление города развивается только при смещении

   баланса грунтовых  вод в сторону  пополнения их запасов.  

Другие факторы  развития ИГ-процессов не менее важны, но

 их влияние на развитие процессов не является решающим. 

Важное  в исследовании геологических  процессов

1.Выделение главных (обязательных) факторов , управляющих геологическими    процессами означает понимание их природы.

2.Прогноз развития геол. процессов, учет влияния инженерной деятельности человека.

3.Принятие  решения о способах  предотвращения или устранения негативного влияния процесса на жизнедеятельность человека. 

Инженерная  геодинамика исследует около  двух десятков ИГ- процессов, важных для хозяйственной деятельности человека.  Их можно объединить  по     общности    происхождения     и   особенностям    развития  в  группы. 

I.  Выветривание 

II.   Деятельность поверхностных вод

- водная эрозия  –образование оврагов, балок…

- геологическая    деятельность      рек

- переработка  берегов морями, водохранилищами

- сели –  грязекаменные потоки

- снежные  лавины  
 

III.   Деятельность подземных вод               

IV.   Склоновые процессы                                  

-Карст                                                                       - обвалы                                                            

-Суффозия                                                             - осыпи                                                              

-Плывуны                                                               - оползни                                                                     - ледники

VI.   Деятельность ветра                              

VII.   Промерзание грунтов

-Дефляция ->выдувание                                          - морозное пучение                                         

- корразия   ->обтачивание                                     - термокарст                                                     

- наледи                                                            

-солифлюкция

VIII.Факторы эндогенной природы.     

IX.Техногенные процессы

- землетрясения                                                           - сдвижение грунтов над шахтами

- цунами                                                                      - подтопление городов

- вулканическая деятельность 

X.Процессы в специфических грунтах

- просадочные                                                            - набухающие

- органо-минеральные  грунты                                 - техногенные грунты

- элювиальные грунты                                             - засоленные грунты 

Выветривание

Это совокупность физических, химических и биохимических процессов преобразования ГП и минералов в приповерхностной части земной коры. Выветривание  зависит от климата, рельефа, органического мира. Наиболее важные агенты Выветривания – температура, кислород, вода.. 

Виды выветривания.

Выветривание  физическое (механическое) - происходит под воздействием колебания температуры, минералы с анизотропными свойствами быстро разрушаются.

Пример: Коэффициенты объемного расширения_. ортоклаза, кварца и альбита относятся как 1:2:3.   Коэффициенты линейного расширения у кристаллов кварца и СаСОз анизотропны. При изменении температуры возникают местные напряжения и разрушаются даже мономинеральные горные породы: мраморы, известняки. На микротрещинах пород адсорбируется вода, катионы и анионы. Они ослабляют химические связи.

Замерзание воды приводит к разрушению льдом (объем льда в трещинах на 9% больше объема воды).

При устройстве выемок, котлованов  давление на ГП уменьшается, они начинают разрушаться из-за напряжения между кристаллами.

Пример: растрескивание базальта, мергеля. 

Выветривание  химическое - происходит под воздействием Н₂О, О₂, СО_2. При химическом выветривании минералы разрушаются с образованием новых устойчивых минералов, остальные переходят в раствор и выносятся водами. 

Наиболее устойчив к химическому выветриванию в поверхностных условиях кварц, наименее, оливин, основные породы. Базальт, габбро  быстрее выветриваются, чем граниты, диориты.

Химическое  выветривание включает:

а) гидратацию минералов: Fe₂O₃ + nН₂0 => Fe₂О₃*nН₂О

б) гидролиз и растворение: К[AlSi₃O₈] + H₂O + CO₂ =>                   =>  Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ (каолинит)+ K₂CO₃ + SiO₂ (калиевый полевой шпат => каолинит)

в)окисление (при свобод-ном О₂):      Fe ²⁺=>Fe ³⁺

г) восстановление (при наличии погребенного органического вещества и деят-сти м/организмов в почвах и некот.водоемах); Fe₂O₃*nH₂O + С _орг. => Fе[СО₃] (гидроксиды железа => сидерит);

д) карбонатизацией :      гидролиз минералов в процессе выветривания обычно сопровождается: 4Mg₂[SiO₄](оливин) + 4H₂O +2CO₂ => Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈ (серпентин)+ 2Mg[CO₃]

Кристаллизации  солей в микротрещинах раздвигает их и механически разрушает породы.  

 
Выветривание  органическое - активное влияние растительных и животных организмов на литосферу, заключающееся в физическом и химическом разложении пород под воздействием выделяемых органических  кислот, СО₂ и O₂, Биохимических процессов от бактерий почвы, а также физической деятельностти животных и растений (сверление, рост корней и т. д.). Особенно интенсивно выветривание в тропиках.

Кора  выветривании (элювий) – поверхностная часть массива горных пород, преобразованная под влиянием выветривания. Ее мощность (0,5-20,0  метров) зависит от рельефа, климата, состава горных .

С глубиной кора выветривания угасает. 

ОПОЛЗНИ

Это   смещение  массы грунтов вниз по склонам

 под действием силы тяжести без опрокидывания. 

Оползневым  процессам подвержены

- склоны природные, берега водохранилищ и морей, склоны дорожных выемок и насыпей, склоны, сложенные моноклинальными слоями …

  

Схема оползня:   Оползневое тело – поверхность скольжения– бровка срыва –  оползневые террасы - вал выпучивания  - подошва оползня  

БАЛАНС СИЛ

Вес оползневого  тела раскладывается  на сдвигающую и удерживающую силы. Они определяют устойчивость склона.    Природы последней силы описывается законом Кулона (сцепление частиц и трение).  

Критические места оползневого тела:

- подошва  оползня –вал выпучивания (роль сдерживания)

- поверхность  скольжения (силы трения) 

Причины возникновения  оползней:

- чрезмерное  увлажнение пород склонов  

   атмосферными  и грунтовыми водами

- подрезка склонов (стр-во дорог, подмыв рекой)

- перегрузка  склонов сооружениями

- давление  подземных вод на слои делювия

- быстрый спад УГВ  вблизи подтопленного склона (сработка водохранилищ – устранение взвешивающего влияния воды) 

Оползни провоцируются 

- землетрясениями, 

- вибрацией от проходящего  поезда,

-забивки  свай

- штормами и ливнями 

Пример: р-н Александровки в г. Ростове-на-Дону:

-перегрузка

-УГВ

-подмыв рекой

-поезда - сейсмичность.

Меры cдерживания – понижение УГВ, укрепление  шпунтовыми стенками  

УРОН

- при строительстве:    разрушение территорий

- страдают  дороги, т.к. проложены по склонам

  разрушаются  сотни метров и километры дорог 

Для борьбы с  оползнями надо знать: 

Геологическое строение склона

- положение  поверхности скольжения

- объем оползневого  тела

- ГРУНТЫ:  состав, состояние, С, f, Е_о, и др.

- причины,  породившие оползень

- рассчитать  модель оползня;

- прогноз  устойчивости склонов 

              -- в природных условиях,

              -- при инженерном воздействии, 

             

МЕРОПРИЯТИЯ по борьбе и профилактике в оползневых районах: 

Пассивные:

   - посадка  деревьев и кустарника на склонах

   - укладка  дерна

   - запрет  подрезания склонов 

Активные;

- возведение  опорных стен

- выполаживание  склонов

- закрепление   грунтов склона

- устройство  земляных контрбанкетов и    

  ступенчатых  откосов.

СЕЛЬ

Сель  – временный грязекаменный поток.

Равнинная  или   горная   река  с каменистым дном переносят   до  1 т/м³    твердого  вещества. Плотность селевого  потока  достигает от 1,5 т/м³ до 2,6 т/м³.     Содержание   твердого  материала   в селевом потоке  зависит   от  уклона  русла   потока.

• Скорость потока достигает 6-7 м/сек.

• Продолжительность селя   4-6 час.

В суспензии  концентрируются фракции: галька, щебень, глыбы.

 

Условия, благоприятные для  формирования селя

• геоморфология       à  долины рек,  сухие долины  с большими   уклонами.

• литология     à   породы легко разрушаются при выветривании.

• метеорология  à   внезапное увеличение  осадков (ливень, снеготаяние, внезапное преобладание  теплых ветров).                                                                   человек              à   вырубка леса ,выпас скота

Сель формирует  свое русло и набирает скорость по мере движения. С уменьшением объема поступающей воды,  поток слабеет  и входит в свое русло и останавливается.

ПРИМЕР. Сель в Алма-Ате 08.07.1921 г.

• Обилие снега и превышение годовой нормы осадков на 30%.

• Породы – сильно выветрелые граниты, покрытые слабо сцементированными конгломератами и лессами.

• Дождевые осадки: за ночь выпало 160% месячной нормы.

• Вынесено в  город 1,5 млн тонн грязевого материала за 4 часа.   (За городом было отложено еще 5 млн тонн).

• Песчано-глинистая  водная смесь с  r =1,3-1,5 т/м³,  переносила  крупные    глыбы ( объемом до 50 м³).

Методы  борьбы с селем

                                                      Регулирование водонакопления: - сброс уровня  воды  в  озерах и прудах. (траншеи,туннели,каналы),                                                            - устройство нагорных    каналов      для перехвата водного потока и отвода  его в сторону;                                                                                      - дамбы, разделяющие и направляюще поток;                                                                         - емкости,  аккумулирующие материал и снижающие   энергию потока.

- запрет вырубки леса, выпаса скота.

- укрепление дна и бортов русел от размыва.

- устройство лотков, перепадов, стенок.

- селенаправляющие сооружения устраивают для отвода селя от объектов (небольшой сель может быть переброшен над дорогой  по специальному лотку на опорах – селедуку или селеспуску).

 

Деятельность  поверхностных вод 

ПЛОСКОСТНОЙ СТОК

Плоские струи поверхностного стока захватывают рыхлый, мелкий материал и перемещают его вниз по склону.Этот процесс называется делювиальным.

Плоскостной смыв  уменьшает крутизну склонов, они приобретают плавные очертания. Более грубый материал – песчаный отлагается в вершине шлейфа. В конце шлейфа  - пыль и глина. Для делювиального процесса благоприятны равнинные степные районы. 

От  чего зависит формирование делювия

- рельеф, - количество атмосферных осадков, - физико-химические свойства почв, - растительный покров,  - деятельность  человека. 

Влияние уклонов рельефа:

0,5-2,0 град. –  смывается    5- 6 см слоя

2-5 град. -            --“--          13-16см

>5  град.(балка) - --“--         32-35 см

В Ростовской области за  год смывается 33млн т грунта с 1,5 млн га. 

ВРЕМЕННЫЕ РУСЛОВЫЕ ПОТОКИ

Временные потоки оврагов равнин и временные горные потоки. 

Этими потоками осуществляется:  эрозия,  перенос  и  аккумуляция.

Развитие  оврагов начинается с   РЫТВИНЫ ИЛИ ПРОМОИНЫ. Они разрастаются вниз и вверх по склону  и в  глубину. Энергичная эрозия, устремляясь вниз по склону, достигает устьем реку, озеро или море -  базис эрозии. Углубление эрозионного вреза постепенно уменьшается и развивается боковая эрозия -  склоны оврага постепенно осыпаются, -  приобретают угол устойчивого естественного откоса и зарастают. В районах с рыхлыми породами, овраги быстро разрастаются. В результате возникает сложная ветвящаяся овражная система, на огромных площадях. Далее она развивается в  балки, лога, лощины,  суходолы, увалы.

Ростовская  область. Оврагообразование – 40 тыс  га/ год. Протяженность  оврагов  - 40 тыс км. Скорость размыва – 1,5 м / год.

БОРЬБА  Активная: выполаживание рельефа,  регулирование поверхностного стока системой нагорных канав и водоотводящих валов,  посадка деревьев, кустарников на склонах, подпорные стенки, лотки на дне оврагов.                                                 

ПАССИВНАЯ борьба: запрет выпаса  скота вблизи  эрозионной сети,  запрет распахивания полей вблизи эрозионной сети. 

Временные горные потоки

Формируются в верхней части горных склонов как система  сходящихся рытвин и промоин. Они образуют водосборный бассейн. Из него  по склону вода движется уже в едином русле. Во время дождей или снеготаяния все промоины и канал стока заполняются водой, которая с большой скоростью движется вниз по склону. Захваченный водой обломочный материал усиливает разрушительную работу потока. На предгорной равнине скорость течения  уменьшается, твердый материал оседает и образуется конус выноса.  В строении конусов выноса материал сортирован вниз по склону: от более крупного до тонкого. Отложения конусов выноса называют пролювием.

      Геологическая деятельность рек

Реки –  это постоянные потоки, совершающие большую эрозионную, переносную и аккумулятивную работу.

Способность рек производить работу называют энергией реки, или ее живой силой. Она пропорциональна массе воды и скорости течения. Взвешенные частицы и влекомые потоком по дну принято называть твердым стоком рек. Различают эрозию донную, или глубинную, направленную на врезание потока в породы дна реки. Боковая эрозия вызывает  подмыв берегов и расширение долины. Соотношение видов эрозии меняется на разных стадиях развития долины. В начальных стадиях формирования реки преобладает глубинная эрозия.  Река стремится сгладить неровности, стремясь к уровню моря или озера. Уровень бассейна, куда впадает река называется базисом эрозии. Он является общим для всей речной системы. В нижнем течении реки уклон продольного профиля приближается к горизонтальной линии,  затухает глубинная эрозия.

Грубый  обломочный материал усиливает донную эрозию, но и сам истирается и окатывается, образуя гальку, гравий, песок. Одновременно с эрозией и переносом происходит аккумуляция материала. Даже при  явном преобладании процессов эрозии и переноса на отдельных участках аккумулируется обломочный материал.

Речные  отложения, называются аллювиальными. Мощность аллювия реки Дон (г. ростов-на-Дону) – 25м, реки Темерник – 18 м.

Строение  речной долины. Речная долина развивается стадийно.                                                                              Первая стадия морфологической молодости: преобладание глубинной эрозии и V – образный, поперечный профиль долины, Вторая стадия морфологической зрелости: продольный профиль реки, приближается к кривой равновесия,  поперечный профиль долины U – образный, река имеет хорошо развитую пойму.

В эпохи  быстрых  поднятий и опусканий земной коры в долинах рек появляются молодые эрозионные врезы V – образного типа. Причина – река меняет продольный профиль вслед за базисом эрозии.  В реке формируется новая пойма на более низких абсолютных отметках. Из-за колебательных движений земной коры в речных долинах образуется лестница надпойменными террас, возвышающихся друг над другом.

Классификация террас по строению:

1. Эрозионные террасы      образуются    в        молодых                              горных сооружениях и слагается коренными породами.
2. Аккумулятивные террасы   сложены аллювиальными отложениями, а цоколь из коренных пород

  Устьевые части рек. Различают два типа устьев рек – дельты и эстуарии.        Дельты – это плоские низменные равнины (реки Волга,  Дон, Днепр).  Здесь река распадается на многочисленные рукава и протоки. В речных дельтах встречаются различные по своему составу и генезису отложения:  пески и глины, озерные отложения, болотистые отложения (торфяники, на месте зарастающих озер),  морские осадки.

Эстуарии – воронкообразные заливы, глубоко вдающиеся в долину реки. у Сены, Эльбы, Темзы, С. Двина, Лена.  Во время отливов морская вода вместе с речной образуют мощный поток, обломочный материал,  выносится в море, где подхватывается береговыми течениями.

Эрозионная  деятельность рек может провоцироваться человеком:  сбор  вод с орошаемых территорий; строительство водохранилищ изменяет базис эрозии участка реки (выше плотины – аккумуляция, ниже – эрозия).

                БОРЬБА с неблагоприятными процессами:                                                                           Подмыв берега рекой:  укрепление берега,  изменение скорости  или перенаправление  потока струй (буны,дамбы).ПОДВОДНАЯ часть укрепляется наброской камней, фашинами.

Пример: г.Ростов-на-Дону -  облицовка набережной гранитом. Излучина Дона – шпунтовые стенки. Аксайский мост – наброска камней, бетонирование склонов, водоотводящие сооружения.

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ РАБОТА   МОРЯ.

Инженерно-геологические процессы и явления  на берегах морей и водохранилищ активно влияют на промышленные и гражданские сооружения. 

Море постоянно  разрушает сушу, но и создает осадочные  породы. Среди осадочных пород – 95% морские. Они формируются за счет твердого стока в море рек (64%) , солей рек (12%), ледников+ветра+абразии (12%), вулканического пепла (6%), биогенного материала (6%). 

Берег Моря постоянно  перемещается вследствие тектонических  движений.

     Факторы разрушения берега моря (Абразии):

- волнение  на  поверхности моря из-за  ветра                                             - параметры берега: профиль , глубина моря, состав и залегание ГП,   - вертикальное колебание  земной поверхности.

- факторы волны: сила удара от 7,2 т/м² (Ч.море),  10-30 т/м² (океан),

  мощная  волна перекатывает глыбы размером 30-40т на 10-20м.