Анализ развития экзогенных геологических процессов на территории Ростовской области

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(15), 2014 г., [55-68] УДК 551.435.627:624.137 Н. В. Легкая

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация

АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ЭКЗОГЕННЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ТЕРРИТОРИИ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Целью исследований являлось изучение оползневых процессов, оценка их развития и обоснование комплекса мероприятий по снижению негативных последствий на территории Ростовской области. Оползневые процессы возникают и развиваются на каком-либо участке склона или откоса вследствие нарушения равновесия пород, вызванного увеличением крутизны склона в результате подмыва водой, ослаблением прочности пород при выветривании или переувлажнении осадками и подземными водами, воздействием строительной и хозяйственной деятельности, проводимой без учета геологических условий местности (разрушение склонов дорожными выемками, чрезмерный полив садов и огородов, расположенных на склонах, и т. п.). Ведущая роль в регионе принадлежит эрозионным процессам, которые являются основным фактором формирования оползней на территории Ростовской области. Участки распространения линейной эрозии составляют более 20000 км2 (15-20 % площади региона) с преобладанием средней (1,0-1,5 км/км2) и сильной (4-5 км/км2) интенсивности развития процесса. Оползневая активность на большей части территории исследований находится на уровне среднемноголетних значений (0,5-0,7 м/год) и в основном происходит в средней и верхней частях оползней, но есть участки, где горизонтальная скорость смещения составляет 2,0-2,2 м/год (с. пос. Шапошниково, х. Пухляковский, пос. Чумбур-Коса и др.). В качестве одной из основных мер противооползневой защиты на участке около с. пос. Шапошниково было предложено создание контрфорсов, а также искусственной и залуженной ложбины, способной противостоять размыву при скорости водных потоков порядка 1,1-1,3 м/с. Система противооползневых мер должна дополняться комплексом почвозащитных приемов и мероприятий на водосборе. Обоснованный комплекс мероприятий позволит стабилизировать оползневой склон.

Ключевые слова: экзогенные геологические процессы, оползни, оползневая активность, оползневой склон, противооползневая защита.

N. V. Legkaya

Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation

DEVELOPMENT OF EXOGENOUS GEOLOGICAL PROCESSES

IN THE ROSTOV REGION

The objective of the research was to study the processes of landslide, evaluate their development, and justify a set of measures for reducing the negative effects at the territory of the Rostov region. Landslide processes arise and develop at such parts of the slope where the disequilibrium of rocks exists. The disequilibrium can be caused by increased steepness of the slope as a result of washout by water, weakening of rocks under weathering or waterlogging precipitation and groundwater, influence of building and economic activity, conducted without taking into account geological conditions of the locality (destruction of slopes by road excavation, excessive irrigation of gardens, situated on the slopes and so forth). Leading role in

the region belongs to erosion processes, which are a major factor in forming the landslides in the Rostov region. Sites with linear erosion occupy more than 20000 km2 (15-20 % of the region area) with a predominance of medium (1-1.5 km/km2) and high (4-5 km/km2) intensity development of the process. In the study area landslide activity is at the level of long-term average values (0.5-0.7 m/year) and occurs mainly in the middle and upper parts of a landslide, but there are areas where the horizontal displacement speed is 2.0-2.2 m/year (r.s. Shaposhnikovo, f. Pukhlyakovsky, v. Chumbur-Kosa, and other). As one of the main measures for landslide protection near Shaposhnikovo the creation of counterfort was proposed, as well as the creation of an artificial sown hollow which can withstand washout at a rate of water flow 1.1-1.3 m/sec. The system of measures against landslides should be supplemented by the complex of soil protection techniques and activities at the watershed. Reasonable set of measures enables to stabilize the landslide slope.

Keywords: exogenous geological processes, landslide, landslide activity, landslide slope, landslide protection.

Территория области подвержена влиянию опасных природных явлений, которые являются источниками природных чрезвычайных ситуаций. По многолетним наблюдениям основными из них являются: весеннее половодье, снежно-дождевые паводки, нагонные явления, сильная жара, град, ливни, снежные метели и заносы, сильные морозы, гололед, заморозки, оползни.

Образование оползней - сложный процесс, связанный с деятельностью временных водных потоков на участках с неоднородным геолого-литологическим строением, особенностями физико-механических свойств почв и пород при нерациональной деятельности человека. Знание причин формирования и факторов развития оползней является определяющим моментом для назначения системы мероприятий по предупреждению их развития и снижению негативных последствий на урбанизированных территориях. Комплекс противооползневых мероприятий должен быть проведен в таком объеме, чтобы обеспечить устойчивость склона.

В Ростовской области оползневым процессам подвержено побережье Таганрогского залива - северное (пос. Мержаново) и южное (пос. Чумбур-Коса), Матвеево-Курганский муниципальный район (бассейн реки Миус, у с. Шапошниково), городской округ Ростов-на-Дону (пос. Александров-ка), городское поселение Аксай, населенные пункты в Азовском, Некли-новском и других районах области.

Причины и факторы развития оползней в различных районах Ростовской области одинаковы. Оползневые процессы возникают и развиваются на каком-либо участке склона или откоса вследствие нарушения равновесия пород, вызванного увеличением крутизны склона в результате подмыва водой, ослаблением прочности пород при выветривании или переувлажнении осадками и подземными водами, воздействием строительной и хозяйственной деятельности, проводимой без учета геологических условий местности (разрушение склонов дорожными выемками, чрезмерный полив садов и огородов, расположенных на склонах, и т. п.). Наиболее часто оползни возникают на склонах, сложенных чередующимися водоупорными (глинистыми) и водоносными породами (например песчано-гравийными, трещиноватыми известняковыми). В сильно увлажненных глинистых породах оползни приобретают форму потока. В плане оползни часто имеют форму полукольца, образуя понижение в склоне, называемое оползневым цирком. Оползни наносят большой ущерб сельскохозяйственным угодьям, промышленным предприятиям, населенным пунктам, элементам транспорта и связи и т. д. В зоны оползней также попадают жилые дома населенных пунктов Ростовской области (таблица 1).

Таблица 1 - Информация об участках местности на территории

муниципальных образований области, подверженных оползневым процессам

Муниципальное Населенный пункт Количество Количество

образование домов в зоне оползня человек, проживающих в домах

1 2 3 4

г. Ростов-на-Дону Пролетарский район, ул. Герцена 8 1800

Пролетарский район, ул. Кржижановского 120 600

Железнодорожный район 2 5

г. Таганрог - 41 371

Усть-Донецкий район ст. Раздорская 2 6

х. Пухляковский 3 21

Аксайский район г. Аксай 11 70

Продолжение таблицы 1

1 2 3 4

Мясниковский район Калининское с/п, х. Калинин 12 89

Дубовский район ст. Андреевская 10 47

с. Дубовское 25 98

х. Семичный 25 76

Цимлянский район г. Цимлянск, ул. Речная 25 87

Матвеево-Курганский с. Александровка 239 772

район пос. Крынка 148 430

х. Демидовка 48 141

с. Шапошниково 77 203

пос. Красный Бумажник 1 3

Неклиновский район с. Рожок 307 846

с. Весело-Вознесенка 779 2063

пос. Приазовский 258 703

с. Беглица 657 1695

с. Красный Пахарь 55 134

с. Золотая Коса 292 887

с. Русская Слободка 207 567

с. Христофоровка 131 402

с. Красный Десант 346 819

с. Новозолотовка 184 517

с. Дмитриадовка 255 692

с. Новобессергеневка 1233 3445

с. Петрушино 819 2145

с. Бессергеновка 757 2263

с. Приморка 1418 3822

ж.-д. ст. Морская 205 485

пос. Гаевка 418 970

с. Носово 310 852

На побережье Таганрогского залива в районе с. Мержаново-Приморка на сегодняшний день скорость горизонтальных смещений составляет 0,2-0,5 м/год. Оползневая активность находится на уровне сред-немноголетних значений и в основном происходит в средней и верхней частях оползней.

На южном побережье Таганрогского залива оползневая активность немного ниже или близка к уровню среднемноголетних значений, что связано с некоторым запаздыванием процесса по времени. От пос. Стефани-динодар до пос. Семибалки горизонтальные смещения составляют от 0,2 до 0,7 мм/год, их наибольшая активность отмечается в верхних и нижних

частях оползней (это обусловлено многочисленными трещинами отрыва на прибрежном плато и абразионной деятельностью вод залива). От пос. Се-мибалки до с. Маргаритово оползневые подвижки превышают на отдельных участках 2 ми более, причем наибольшая активность отмечается в районе с. Чумбур-Коса (южная окраина центральной части села).

На северном побережье Цимлянского водохранилища оползневые процессы развиты на территории г. Цимлянска. На протяжении последних лет активность оползней не превышает среднемноголетних значений (порядка 0,3-0,5 м/год). Отмеченная оползневая активность находится в пределах среднемноголетних значений (0,5-0,8 м/год). В случае крупномасштабных утечек из водопровода и поступления больших объемов ливневых стоков на оползневом участке турбазы «Чайка» возможны смещения более 1 м. В районе ст. Хорошевской активность сейчас ниже уровня сред-немноголетних значений и составляет 0,3-0,5 м.

Оползневая зона в Матвеево-Курганском районе расположена в пределах с. Александровка и пос. Красный Бумажник. Для оползней течения скорость вертикальных смещений предположительно составляет 0,5-0,7 м/год, в данном случае скорость зависит от количества осадков и геоморфологического строения склона, а также антропогенной нагрузки (орошение с.-х. угодий верхней части оползневого плато), наиболее сильные смещения будут отмечаться в нижней и средней частях склона.

Для городов Ростов и Аксай оползневая активность в пределах нормы (до 0,5 м/год), случаи выше нормы будут отмечаться при поступлении на оползневой склон больших объемов воды (утечки, осадки), также активность выше нормы возможна для оползней течения, расположенных в пределах первой надпойменной террасы на правобережье р. Дон. Активность этих оползней зависит от уровня подземных вод сарматского водоносного горизонта (в зоне разгрузки которого они находятся), уровень которого зависит от выпавших осадков. Скорость горизонтальных смещений может составить более 0,5 м.

Для оползневой зоны, расположенной между г. Новочеркасском и устьем Северского Донца, оползневая активность находится на уровне среднемноголетних значений. По верховьям овражно-балочной сети возможно возникновение небольших оползней-оплывин. Для оползней течения, расположенных в районе станиц Мелиховская, Раздорская, скорость смещений не превышает 0,5 м.

Небольшие, объемом до 100 м , единичные проявления отмечаются на склонах ряда речных долин и балок. Это обычно оползни течения -сплывы, оплывины глубиной захвата до 2-5 м. Активизация их, как правило, одноразовая, происходит обычно в периоды максимального смачивания пород атмосферными осадками. Процесс протекает кратковременно и с большой скоростью.

По балкам северной части территории области единичные оползневые тела развиваются на склонах (25-30°) в четвертичных суглинках, в слоистых разрезах палеогена (эоценовых глин, песков, мергелей) и даже в сильновыветрелых мелах (в виде сплывин).

На южных равнинах оползания в балочных бортах встречаются крайне редко, развиваясь большей частью по увлажненным поверхностям майкопских и скифских глин. К таким относятся оползневые тела в балках северо-восточного борта Манычской впадины, в балке Белая Юла, на р. Сал.

Участки с наибольшей пораженностью оползневыми процессами отмечаются по берегам Таганрогского залива, Миусского лимана, Цимлянского водохранилища, правобережья рек Дон и Крынка.

Вдоль северного побережья Таганрогского залива от ст. Морской Чулек до ст. Морская тянется почти сплошная терраса, сложенная отложениями современных остановившихся оползней (рисунок 1).

Лишь на отдельных участках (с. Мержаново, рекреационная зона) оползневой процесс находится в активной фазе. Оползни здесь структурные, с блоковым смещением пород, глубокие (глубина захвата до 20 м), по

объему оползшей горной массы относятся к средним (200-1000 м ) и большим (более 1000 м ). Аналогичные по масштабам и структуре оползни отмечены и по берегам Цимлянского водохранилища (рисунок 2).

Рисунок 1 - Современная оползневая терраса. Северный берег Таганрогского залива

Рисунок 2 - Оползни на берегу Цимлянского водохранилища

На Южном побережье Таганрогского залива, Цимлянского водохранилища, а также на Веселовском водохранилище получили развитие асек-вентные оползни в суглинках. Масштабы развития оползневого процесса, размеры и форма оползневых тел различны.

Оползневая терраса северного берега Миусского лимана сложена отложениями древних оползней. Ширина террасы 50-70 м. Оползневые процессы развивались в толще суглинков мощностью около 5 м. Известняки неогена внизу разреза процессом не затронуты. Оползневые процессы закончились выполаживанием берега.

На южном берегу лимана отмечен ряд больших активных структурных оползней в четвертичных суглинках. Активизация оползневых процессов здесь связана с переувлажнением пород за счет атмосферных осадков и частично - абразионной подработкой.

Оползневые процессы на склонах речных долин характеризуются преимущественно значительными протяженностями вдоль берега и большими мощностями захвата. Оползни циркообразные и фронтальные часто составляют единые террасы. Встречающиеся одиночные тела, как правило, крупные, структурные (в балке Сухая Крынка, на р. Сал у х. Шаминка).

Оползневые террасы на правобережье р. Крынка шириной около 200 м сложены неогеновыми известняками, песками и глинами. Активизация здесь связана с нарушением режима разгрузки грунтовых вод из-за микроподвижек на склоне. Она носит характер вторичных генераций, формируя локальные тела уже на самой террасе, поверхность которой ступенчата (с общим уклоном до 25°).

Основная масса активных оползней располагается в северном крыле рассматриваемой локальной территории. А единичные формы вниз по долине - в виде мелких тел асеквентных оползней, развивающихся в суглинках и глинах нижней части склона. Оползневая терраса отмечается участками и по западному борту долины р. Миус.

Крупные оползневые тела отмечены в этом же районе по правому борту б. Сухая Крынка. Оползни структурные, консеквентные, захватывающие отложения четвертичных суглинков и известняки, пески, глины неогена на глубину более 10 м. Формы оползней циркообразные, фронтальные.

Широко распространены оползни на правобережье р. Дон. От ст. Пух-ляковская до ст. Ольховка терраса шириной до 600-700 м сложена отложениями современных оползней.

Оползни в городах Ростов-на-Дону и Аксай обязаны своим происхождением и активизацией антропогенному влиянию (подрезка склонов при расширении дорожного полотна, строительстве зданий, вибрация от большегрузных железнодорожных составов, нарушение гидрогеологического режима в результате утечек из водонесущих коммуникаций).

В качестве одной из основных мер противооползневой защиты автором были предложены железобетонные контрфорсы, которые осуществляют механическое сопротивление движению оползня [1, 2]. Железобетонные контрфорсы укреплялись в виде ряда протяженностью 56 м на расстоянии 10 м (на 2002 г.) от нижней кромки. Эффективность данного сооружения определялась по нагрузке на сдвиг.

В основу расчета была положена теория Кулона, основанная на рассмотрении предельного равновесия призмы грунта, ограниченной прямолинейными плоскостями обрушения, при этом были приняты следующие допущения:

- для расчетов принята наиболее слабая по физико-механическим свойствам почвообразующая порода, представленная красно-бурым суглинком;

- пассивным давлением грунта пренебрегаем;

- плоскость сдвига принята на глубине 2 м в подстилающем слое.

Расчет произвели, опираясь на расчетную схему (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема к расчету нагрузки на сдвиг

С помощью схемы определены: горизонтальная составляющая интенсивности активного давления Рак = 25,623 кПа/пог. м; вертикальная составляющая интенсивности активного давления Рау = 9,836 кПа/пог. м; горизонтальное (Еак) и вертикальное (Ет) давления: Еак = 2,127 кН/пог. м, Ет = 0,816 кН/пог. м; расчетное значение силы предельного сопротивления сдвигу Я = 11,434 кН/пог. м; расчетное сдвигающее усилие Е = 2,552 кН/пог. м.

а 5

Как показали расчеты, значение силы предельного сопротивления сдвигу почти в четыре раза превышает расчетное сдвигающее усилие, тем самым доказывая, что принятая удерживающая система контрфорсов устойчива при плоском сдвиге.

Для того чтобы исключить попадание поверхностного стока талых и дождевых вод в зону проявления оползня, т. е. дополнительного количест-

ва влаги, и избежать повышенной гидрофильности грунта, было осуществлено создание водоотводящей ложбины в обход тела оползня с дальнейшим ее задернением путем коренного залужения. С этой целью весной 2002 г. от уже существующей ложбины, входящей в тело оползня, в обход его была проложена водоотводящая борозда КЗУ-0,5 и проведено ее залу-жение злако-бобовой смесью из люцерны синегибридной, эспарцета, костра безостого и пырея сизого. Весна и лето данного года выдались благоприятными по климатическим условиям, травы хорошо прижились и уже на следующий год образовали мощный травяной покров, надежно скрепивший корневыми системами верхний слой почвы. Высокая степень за-дернованности способствовала предотвращению размыва почвы по самой водоотводящей ложбине, а также осуществлению отвода паводковых вод от оползня.

Противоэрозионная стойкость водоотводящей ложбины рассчитывалась по формуле М. С. Кузнецова [3] и соотносилась с реальной скоростью водных потоков при пиковых расходах стока талых вод. Как показали расчеты, размывающая скорость потока в водоотводящей ложбине должна превышать 1,31 м/с.

Согласно натурным исследованиям, максимальная скорость потока в 2003 г. составила 1,26 м/с, т. е. залуженная ложбина имела еще запас прочности по отношению к критическим величинам и соответствовала принимаемым значениям.

Эффективность работы системы противооползневых мероприятий даст максимальную отдачу после ликвидации карьера. Его засыпка позволит решить задачу по предотвращению внутрипочвенного стока, осушит тем самым плоскость скольжения оползня и увеличит значение коэффициента устойчивости склона.

Система противооползневых мероприятий будет неполной и не будет работать эффективно, если на водосборе не осуществлять задержание и

регулирование поверхностного стока. Наиболее эффективными элементами системы почвозащитного комплекса являются стокорегулирующие лесные полосы, усиленные валом-канавой [4, 5]. Объем стока талых вод, задержанный данным биоинженерным сооружением, рассчитан по формуле В. В. Демидова:

=

с 2 2i

где Ь - ширина канавы по верху, м;

Ь1 - ширина канавы по дну, м;

Н - глубина канавы, м;

Н - максимальное значение глубины наполнения (суммарное значение глубины канавы и рабочей высоты вала), м;

Н1 - рабочая высота вала, м;

Р - пористость засыпки наполнителя, дол. ед.;

Кк - коэффициент фильтрации почвы в лесной полосе зоны прудка, м/мин;

К Ь - поправочный коэффициент на капиллярное боковое поглощение воды стенками канавы, м/мин;

i - крутизна склона, град.

Подставляя исходные данные (таблица 2) в формулу (1), получаем, что водопоглотительная способность лесной полосы, усиленной валом и канавой, на 1 пог. м составляет для зоны Северного Приазовья - 1,09 м /га. Учитывая, что максимальная величина стока составила 74,8 мм (2003 г.), можно сделать вывод, что такой объем может поглотить система, состоящая из биоинженерного сооружения при обязательном проведении на межполосном пространстве специальных агротехнических приемов (щелевание, кротование, почвоуглубление и др.).

Система противооползневых мер должна дополняться комплексом почвозащитных приемов и мероприятий на водосборе с целью максималь-

ного сокращения стока талых вод. Согласно проведенным расчетам, слой стока с 5 %-ной обеспеченностью может быть задержан системой стокоре-гулирующих лесных полос, совмещенных с простейшими гидротехническими сооружениями в виде валов-канав, при обязательном применении на межполосном пространстве специальных агротехнических приемов (щеле-вание, чизелевание, поделка нанорельефа и др.).

Таблица 2 - Исходные данные к расчету объема стока талых вод, задержанного биоинженерным сооружением

Показатель Обозна- Единица Значе-

чение измерения ние

1 Ширина канавы по верху Ь м 0,5

2 Ширина канавы по дну \ м 0,3

3 Глубина канавы h м 0,7

4 Максимальное значение глубины наполне-

ния (суммарное значение h7 м 1,2

глубины канавы и рабочей высоты вала)

5 Рабочая высота вала К м 0,5

6 Пористость засыпки наполнителя р дол. ед. 0,7

7 Коэффициент фильтрации почвы к * м/мин 0,17

8 Поправочный коэффициент на капиллярное к ь м/мин 0,01

боковое поглощение воды стенками канавы

9 Крутизна склона 1 град. 4

В результате исследований произведена инвентаризация оползневых процессов на территории Ростовской области. Общая площадь земель, подверженных оползневым процессам, составляет 2,5 % от общей площади региона. Оползневая активность на большей части территории исследований находится на уровне среднемноголетних значений (0,5-0,7 м/год), но есть участки, где горизонтальная скорость смещения составляет 2,0-2,2 м/год. На таких оползнеопасных участках в качестве одной из основных мер противооползневой защиты было предложено создание контрфорсов, а также искусственной залуженной ложбины, способной противостоять размыву при скорости водных потоков порядка 1,1-1,3 м/с. Обоснованный комплекс мероприятий позволил стабилизировать оползневой склон.

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(15), 2014 г., [55-68] Список использованных источников

1 Легкая, Н. В. Противооползневые методы защиты территории / Н. В. Легкая // Проблемы водного хозяйства и мелиорации: материалы науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых / ФГОУ ВПО «НГМА». - Новочеркасск, 2003. - Вып. 1. - С. 70-72.

2 Легкая, Н. В. Оползневые процессы и обоснование комплекса природоохранных мероприятий на территории северного Приазовья в пределах Ростовской области / Н. В. Легкая // Вавиловские чтения-2008: материалы междунар. науч.-практ. конф. / ФГОУ ВПО СГАУ им. Н. И. Вавилова. - Саратов: Изд-во «Научная книга», 2008. -С. 236-238.

3 Кузнецов, М. С. Эрозия и охрана почв / М. С. Кузнецов, Г. П. Глазунов. - М.: Изд-во МГУ, Изд-во «Колосс», 2004. - 352 с.

4 Зыков, И. Г Эрозионно-аккумулятивные процессы на водосборах малых рек Среднего Дона / И. Г. Зыков, С. П. Помещиков // Лесомелиорация при контурном земледелии: сб. науч. тр. / Всесоюзный науч.-исслед. ин-т агролесомелиорации. - Волгоград: Изд-во «Волгоградская правда», 1988. - Вып. 1(93). - С. 148-159.

5 Сурмач, Г. П. Водная эрозия и борьба с ней / Г. П. Сурмач. - Л.: Гидрометео-издат, 1976. - 253 с.

Легкая Наталья Вадимовна - старший преподаватель, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета.

Контактный телефон: 8 (86352) 22-45-13. E-mail: Natalight28@yandex.ru

Legkaya Natalya Vadimovna - Senior Lecturer, Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation. Contact telephone number: 8 (86352) 22-45-13 E-mail: Natalight28@yandex.ru