Некоторые геологические аспекты проектирования и строительства автодорог

ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

C.B. Ягофарова, И.А. Уразметов

НЕКОТОРЫЕ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА АВТОДОРОГ

Современные автодороги, являющиеся лишь небольшой частью хозяйственной деятельности человека, весьма сложная и разветвленная сеть, вписанная в существующую геоэкологическую систему и неизбежно вступающая с ней во взаимодействие. Последствия этих взаимодействий не всегда предсказуемы и необратимы, в связи с чем особое значение приобретают мероприятия по сохранению существующего гео-экологического равновесия на стадии проектирования.

Сооружение канав, кюветов, дорожных выемок, некорректно выбранное направление трассы, сопутствующая вертикальная планировка рельефа (срезка, подсыпка грунта), несовершенный дренаж - вот лишь немногие причины, вызывающие сфокусированную линейную эрозию, образование промоин, размоин, оврагов, оползней и прочих негативных физи-ко-гео1рафических явлений и процессов на эксплуатируемой и смежных с ней территориях.

В последние годы существенно изменились условия трассирования автомобильных дорог. Хозяйственная ценность отчуждаемой и используемой под строительство земли вынуждает проектировщиков прокладывать новые трассы автодорог на непригодных для сельского хозяйства территориях.

В первую очередь это относится к районам с выраженной расчлененностью рельефа, наличием неблагоприятных физико-географических и

геологических явлений и процессов, где по условиям проектирования продольного профиля необходимы глубокие выемки и высокие насыпи.

При строительстве дорог местного значения (ІІІ-У технических категорий) для отсыпки земельного полотна и дорожной одежды используются, как правило, местные строительные материалы: щебень, песок, глинисто-суглинистый материал.

Возможность использования того или иного строительного материала определяется его составом, физико-механическими свойствами, существующими природно-экологическими и инженерно-геологическими условиями и регламентируется соответствующей нормативной документацией.

В частности, при отсыпке щебня в дорожную одежду и в некоторых случаях - в тело насыпи автодороги, необходимо учитывать его устойчивость к механическому истиранию, что зависит от многих факторов, а именно: химического и механического состава исходных горных пород, их генезиса, степени выветрелости, т.е., в конечном итоге, геологических особенностей данного региона.

В качестве дорожно-строительного материала в Республике Татарстан разрабатываются карбонатно-глинистые породы верхне-пермских отложений Казанского и Татарского ярусов различной степени выветрелости, выходы которых на поверхность отмечаются по всему региону. Для определения пригодности разрабатываемых пород в качестве дорожностроительного материала необходимо проведение специальных испытаний грунтов в строительных лабораториях. Однако при строительстве дорог местного значения (ІУ-ПІ кат.) эти испытания проводятся не всегда. В результате на отсыпку дорог идет некачественный материал, а именно: дресва и щебень мергелей, алевролитов, аргиллитов, относимых в соответствии с действующей классификацией к грунтам особых разновидностей, обладающих при определенных условиях специфически неблагоприятными строительными свойствами.

В ходе эксплуатации автодорог содержащиеся в теле земляного полотна обломки мергеля, аргиллита, алевролита в результате многократных циклических воздействий могут полностью потерять свою сплошность.

Периодические замачивания паводковыми и грунтовыми водами, сезонное промерзание и оттаивание, объемное набухание, пучение, механические силовые воздействия движущегося транспорта приводят к образованию отдельных агрегатов, величина которых постепенно уменьшается, а прочность по межагрегатным поверхностям резко снижается за счет нарушения жестких структурных связей. Этому процессу способствуют также диффузное выщелачивание и химические реакции в компонентах грунта, приобретающие особо важное значение применительно к карбонатным и карбонатно-глинистым фунтам.

В последнее время в дорожном строительстве значительно увеличилось количество высоких откосов, вызванных необходимостью располагать земляное полотно в глубоких выемках или устраивать высокие насыпи. Глубина выемок и высота насыпей нередко достигает 30-40 м., в связи с чем происходит увеличение площади активной зоны, в пределах которой процессы изменения физических свойств слагающих фунтов под воздействием атмосферных факторов происходят особенно интенсивно.

Деформированный грунт поверхностных слоев, который способен превращаться в вязкую жидкость, стекает по откосу, заполняя и разрушая водоотводные канавы, и далее по естественным понижениям рельефа смывается в русла водотоков. При этом происходит не только проседание и разрушение земляного полотна, ведущее к созданию аварийных ситуаций на дорогах и удорожанию содержания дорожно-транспортной сети, но и нарушение геоэкологического равновесия и технолитоморфное изменение рельефа местности. Щебень карбонатно-глинистых грунтов (мергелей, аргиллитов и т.д.), разрушаясь механически, подвергается также химическому растворению атмосферными осадками и грунтовыми водами. Это при-

водит к карбонатному засолонению прилегающих к дороге площадей, а также повышению содержания карбонатных солей в водах местных водоемов.

Во избежание подобных явлений следует уделять особое внимание прочностным характеристикам, физико-механическому и химическому составу грунтов, используемых при возведении земельного полотна, а также мероприятиям по укреплению поверхностных откосов.

Правильность выбора и надежность мероприятий зависят от достоверности прогноза характера и вероятности образования локальных деформаций, т.е. оценки инженерно-геологических и гидрогеологических условий, соотношения назначения сооружения, его конструкции и выбора строительных материалов, а также от мероприятий по регулированию водно-теплового режима верхней части земельного полотна.

Помимо необходимости решения задачи использования того или иного строительного материала, соблюдения соответствующих технологий, существует ряд проблем, возникающих из особенностей природных условий района проектирования и строительства. Овражная эрозия, оползневые, солифлюкционные, почвенно-эрозионные процессы, протекающие в районе строительства, могут вызвать определенную экологическую напряженность, так как возможно занесение продуктами склоновой аккумуляции речных долин, сельскохозяйственных угодий и других объектов.

Особых мер предосторожности и учета природных факторов требует проектирование и строительство участков дороги, пересекающих водные объекты и проходящих по долинам и поймам рек. Строительство дамб в поймах и перекрытие малых рукавов речных потоков с целью оптимизации расходов при строительстве мостов приводят к увеличению водности основного рукава и усилению размыва берегов. Подпорные явления могут вызвать оползневые процессы на коренных берегах выше по течению реки. Наибольшее экологически негативное воздействие оказывают относитель-

но протяженные и высокие дамбы, сооружаемые на подходах автомобильных дорог к мостам через реки.

Речная сеть Татарстана характеризуется, ‘как правило, достаточно глубоко врезанными долинами и относительно широкими поймами, осложненными старицами, рукавами, протоками, заболоченными участками, пойменными озерами. Сложены такие поймы чаще всего так называемыми "слабыми" грунтами, т.е. грунтами с повышенным содержанием органических примесей, обладающими весьма низкой несущей способностью вследствии сильной обводненности. С целью выравнивания продольного профиля автодороги на подходах к мостам через такие поймы сооружаются наиболее высокие и протяженные дамбы. В процессе строительства и эксплуатации дамбы под действием динамических нагрузок движущегося транспорта и веса сооружения происходит переуплотнение грунтов основания дорожного полотна. Это приводит к уменьшению коэффициента фильтрации подстилающих грунтов и локальному нарушению гидрогеологического и гидрологического режимов. Кроме того, в процессе эксплуатации полотна автодороги может происходить проседание оснований водопропускных сооружений (и, как следствие, их заилевание) или, наоборот, -их выпирание и подъем трубы выше уровня воды в водоеме. И то, и другое нарушает режим стока воды, разливающейся в пойме во время паводков и половодий. Вследствие этого с верхней стороны дамбы происходит заболачивание поймы, а с нижней - наоборот, наблюдаются процессы обмеления, ухудшается влагообеспеченность поймы.

Подобного рода явления наблюдаются на участке дороги Атня - Ку-бян, проходящей через пойму реки Ашит на территории государственного природного заказника "Ашит" вблизи поселка Атня. Дамба протяженностью более 1 км., проходящая по пойме реки, вызывает существенное изменение водного режима на пойме. Вверх по течению, считая со стороны дамбы, обширная пойма существенно переувлажнена. На ней в районе

дамбы на протяжении свыше 1500 метров сформировались множественные пойменные озера и протоки. В результате происходит подтопление значительных площадей.

Как известно, ландшафт пойм отличают молодость, неустойчивость, высокая интенсивность геологических процессов, изменчивость вертикальных и горизонтальных структур в пространстве и во времени, чуткость к внешним воздействиям. Их трансформация и даже полное уничтожение -не исключение, а характерная черта их функционирования. Эволюция природных комплексов на поймах идет на порядок быстрее, чем на междуречьях, занимая всего лишь десятки лет и даже годы. При этом наиболее динамичной является прирусловая часть поймы благодаря ее непосредственному взаимодействию с русловым потоком: это отражается в сложной и пестрой структуре пойменных ландшафтов этой части поймы.

Подтопление, наряду с другими антропогенными факторами, как, например, выпас скота, может привести к изменению структуры пойменных ландшафтов и, возможно, их деградации.

Весьма существенным геоэкологическим аспектом проектирования и строительства дорог является неизбежное при строительстве разрушение природных комплексов, вырубка лесов и т.п. Как известно, рубка лесов наиболее нежелательное явление при строительстве, особенно в районах с низкой лесистостью территории. Рубка леса и последующее строительство дорог вызывают целый ком экологических проблем, решение которых необходимо максимально предусматривать на уровне проектирования. К числу острейших проблем относится, в частности, разрушение путей естественной миграции животных и их гибель на дорогах. Наиболее уязвимы в этом смысле земноводные и пресмыкающиеся.

Рассмотренные факторы являются далеко не полным перечнем всех возможных негативных последствий. Для того, чтобы предотвратить, или хотя бы смягчить результаты хозяйственной деятельности человека, необ-

ходимо уже на стадии проектирования предусматривать разработку мероприятий по сохранению геоэкологического равновесия, что возможно лишь с учетом качественного и количественного прогнозов возможных последствий, полученных на основе детального инженерно-геологического обследования территорий, а также с учетом мониторинга окружающей среды.

Литература

[1] Беркович K.M., Чалов P.C., Чернов A.B. Экологическое руслове-дение. М., 2000.

[2] Львович Ю. М., Мотылев Ю. Л.: Укрепление откосов земного полотна автомобильных дорог. М., 1979.

[3] Руководство по сооружению земляного полотна автомобильных дорог. М., 1982.

[4] Розанов Л.Л., Технолитоморфная трансформация окружающей среды. М., 2001.

[5] Рекомендации по оценке инженерно - геологических свойств элювия карбоновых грунтов и учету их изменения при строительстве. М., 1986.

[6] Браславский В.Д. Противооползневые конструкции на автомобильных дорогах. М., 1985.

[7J Славутский А.К. Дорожные одежды из местных строительных материалов. М., 1977.