книги из ГПНТБ / Финаров Д.П. Динамика берегов и котловин водохранилищ гидроэлектростанций СССР

1°. Примерами могут быть берега Красноярского водохранилища, сложенные девонскими и каменноугольными песчаниками и алевролитами. Так у пос. Куртак при залегании песчаников, близком к горизонтальному, абразионные от-

Рис. 10. Абразионная ступенчатая отмель с уклонами О^ЗО' при горизонтальном залегании песчаников (Красноярское водохра­ нилище).

мели имеют уклоны 0°30/ (рис. 10). В районе пос. Новоселово и других местах при значительном падении горных пород в сторону водохранилища уклоны

Рис. 11. Абразионная ступенчатая отмель с уклонами 8—10° при * залегании песчаников 8—10° (Красноярское водохранилище).

составляют 8—10—15° (рис. 11). У берегов, сложенных рыхлыми легкоразмы­ ваемыми горными породами, по мере роста ширины отмели ее уклоны умень­ шаются и профиль становится выпукло-вогнутым, но плавные переходы от

43

^Таблица 5

Динамика морфологических элементов отмели водохранилищ, в различные стадии развития

одного морфологического элемента к другому обычно не выражены. В табл. 5 приведены сведения об изменении уклонов отмелей наиболее характерных профилей различных водохранилищ. Из таблицы видны более значительные колебания величин уклонов отмелей в стадию абразионных отмелей, чем в стадию абразионно-аккумулятивных отмелей и становления берега. В целом можно видеть, что по мере выработки отмели 'ее уклоны уменьшаются. Однако плавных очертаний профиля отмели установить не удается.

Исследованиями установлены существенные отличия в формировании бе­ регов и их отмелей в зависимости от характера колебаний уровня [84, 85].

Лишь на водохранилищах с устойчивым положением уровня в безледоставный период или небольшой сработкой в стадию абразионно-аккумулятив­ ных отмелей и становления берега происходит сравнительно быстрое выпола-

переход от отмели к надводной части склона еще далек от плавного и представляет резкий, почти прямой угол. Строение отмели находится в это время в зависимости от строения первичного рельефа и его литологического состава, хотя происходит интенсивный процесс вдольберегового перемещения наносов. Примером в этом отношении может быть Горьковское водохранили­ ще, где после 7—8 лет эксплуатации отмели приобрели устойчивый плавный поперечный профиль (см. рис. 89—90). Это обусловлено небольшими колеба­ ниями уровня воды в безледоставный период [70, 71].

Рис. 12. Косая слоистость нижней толщи аккумулятивной части отмели с крутым падением слоев с сторону водоема.

Пляжи достигли ширины 6—6,5 м у песчаных берегов, а у глинистых бе­ регов пляжи на значительных участках обычно отсутствовали. У глинистых берегов углы наклона пляжа 7—11°, а у песчаных — от 6 до 7°. Рост пляжей и аккумулятивной части отмели все еще задерживался вследствие перехвата части наносов при движении их вдоль берега в заливах.

Внешний край отмели в плане повторяет очертания береговой линии. н(> стремится к выравниванию вследствие неравномерного отложения наносов. На вогнутых участках их откладывается больше, а около мысов происходит размыв или небольшая аккумуляция.

Нижняя толща аккумулятивной части отмели имеет косую слоистость с крутым падением слоев в сторону водоема. Такое же строение нижней толщи аккумулятивной части -отмели наблюдалось на других водохранилищах, в частности, на Красноярском (рис. 12). Образование этой части отмели про­

48

исходит путем периодического осаждении наносов на свале отмели во время волнения, что приводит к выдвижению ее в водоем. Верхний подвижный слой наносов на отмели обычно песчаного или супесчаного состава покрывает всю отмель во время повышенного стояния уровня воды. Этот слой имеет слоис­ тость, близкую к горизонтальной, в соответствии с общим уклоном отмели [71].

Существенные уточнения следует внести в строение профиля берега и осо­ бенно отмели на водохранилищах со значительными колебаниями уровня. Отмель в таких условиях становится ступенчатой, что отражает» стояние уров­ ней и их последующее понижение. В связи со значительными колебаниями уровня подвижный аккумулятивный слой на отмели увеличивается.

На водохранилищах многолетнего регулирования стока в маловодные годы, когда водохранилище не наполняется до РШУ, подвижный аккумулятив­ ный слой часто почти полностью уничтожается.

Особенно характерным является переформирование берегов Братского

шению отмели. Под воздействием ветровых волн начался размыв осушенной отмели, и наносы, слагающие ее, стали перемещаться на более низкие уровни.

На поверхности отмели образовался новый уступ, величина отступания которого составила в супесчаных отложениях 10—22 м, а в песчаных отложе­ ниях 6—10 м. Поверхность отмели почти повсеместно приобрела двухступен­

чатый профиль. Объем размытого материала с осушенной отмели довольно значителен (табл. 6).

Из таблицы видно, что аккумуляция весьма незначительна и обычно со­ ставляет не более 10—15% на берегах, сложенных лессовидными суглинками и 5—8%, сложенных песчаниками. Аккумуляция начинается с глубины 2 ж и более. Аккумулятивная часть отмели очень эфемерна, подвержена почти не­ прерывному изменению вследствие перемещения и перераспределения мате­ риала к подножью склона.

В Стадии динамического равновесия берегов водохранилищ' волно­ прибойный поток достигает подножья надводного откоса (Аф3) лишь во вре­ мя редких и сильных штормов, но заметных разрушений уже, не производит. Большая часть энергии волн гасится на широкой береговой отмели, которая состоит из абразионной и аккумулятивной части. В это время завершается формирование шлейфа, примыкающего к внешнему краю аккумулятивной части отмели, и других морфологических элементов берега.

Между урезом воды и надводным откосом берега существует широкая по­ лоса пляжа (Вф\). Надводный откос постепенно задерновывается. В тех местах, где накопился значительный аккумулятивный слой, на отмели проис­ ходит ее выполаживание, формирование нейтральной полосы и вогнутого про­ филя. Во время штормов размывом затрагивается только верхняя часть под­ вижного аккумулятивного слоя отмели, вся отмель и берег переходят в со­ стояние динамического равновесия.

В стадии динамического равновесия подвижный аккумулятивный слой может служить материалом для образования подводных валов. При отсутст­ вии достаточного количества материала для образования подвижного аккуму­ лятивного слоя, что обычно наблюдается на берегах, сложенных трудноразмы­ ваемыми коренными породами, формируется выпуклый абразионный профиль.

Как уже было отмечено, большинство абразионных берегов водохранилищ

СССР находится в абразионно-аккумулятивной стадии и еще не достигло

всвоем развитии динамического равновесия.

Внастоящее время можно предлолагать, что профили динамического рав­ новесия берегов котловинных озерных водохранилищ с небольшой сработкой будут близки к профилю озер.-Вместе с тем, А. В. Живаго (1954 г.) отмечает,

50

что береговые склоны Кубенского озера, водоема с меняющимся уровнем, по своей форме отличаются от морских и озерных, В пределе профиля береговых склонов, сложенных рыхлыми отложениями, вогнутые в верхней части склона и прямые — в нижней. Начиная с глубины 3,5 м и на протяжении 500 м, дно прямолинейно. Но поскольку А. В. Живаго глубину 3,5 м считает границей воздействия на дно волн наиболее частых штормов, то она, по существу, яв­ ляется и границей отмели. В долинных водохранилищах со значительными колебаниями уровня еще долгое время сохранится ступенчатый профиль от­ мели.

На длительно существующих водохранилищах с небольшими колебаниями уровня абразионные берега достигают состояния, близкого к динамическому равновесию. Значительные участки (27% береговой линии) стабилизирован­ ных абразионных берегов, сложенных лессовидными породами, с задернован­ ными надводными склонами и отмелями, имеющими уклоны обычно меньше 1° и ширину 100—150 м, наблюдаются на Днепровском водохранилище. Перера­ ботка таких берегов прекратилась [171]. На горных водохранилищах абразион­ ная стадия развития берегов может смениться абразионно-аккумулятивной вследствие интенсивного заиления.

Существенные отличия формирования берегов на равнинных долинных, озерных и горных водохранилищах рассмотрены в специальной главе.

§ 2. Особенности стадиального и циклического

развития оползнево-абразионных берегов

Основные закономерности возникновения и развития оползней освещены в работах Е. П. Емельяновой [89], Г. С. Золотарева [24], И. А. Печеркина [26] и других.

После создания водохранилищ в зоне колебаний уровня происходит ин­ тенсивное выветривание, оглинение блоков коренных пород и вырабатывается абразионная отмель. Все эти процессы способствуют оживлению существую­ щих и образованию новых оползней, не связанных с естественной эволюцией склонов. В настоящем разделе освещаются особенности стадиального разви­ тия оползнево-абразионных берегов, их морфологические особенности, виды оползней и их циклическое развитие.

Факторы, определяющие образование оползней

Оползнево-абразионные берега формируются в результате сложного вза­

имеются условия для их образования. В связи с этим особенно большое зна­ чение приобретает изучение условий и причин возникновения оползней до соз­ дания водохранилища, истории формирования склонов и направленности раз­

вития.

Е. П. Емельянова [90—93] и Г. С. Золотарев [24, 25] показали, что раз­ нообразные природные и искусственные факторы, определяющие развитие склона и формирование его устойчивости, можно объединить в три группы.

1) факторы создающие среду: комплексы пород, структурные условия, „.трещиноватость пород, обводненность, крутизна склона и климатическая об­

становка; 2) факторы, определяющие состояние и прочностные свойства массива по­

род: раздробление при тектонических подвижках, разгрузка, выветривание и суффозия, режим обводнения массива пород, особенно в трещиноватых и

вконтактных зонах;

3)факторы, изменяющие величины и распределение напряжений: совмест­ ное действие тектонических и гравитационных сил на неоднородные и раз­ лично обводненные массивы пород, изменение высоты н крутизны склона вследствие интенсивных тектонических блоковых поднятий, глубинной и боко­ вой эрозии или абразии, искусственной подрезки склона и сейсмические толч­

ки.

Отмеченные факторы изменяются во времени в связи с развитием геоло­ гических процессов и под влиянием деятельности человека. В зависимости от условий причины образования и развития оползней могут быть совершенно различными. В условиях водохранилищ при прочих равных условиях веду­ щими процессами, определяющими распределение напряжений в массиве склона, являются-волновая абразия и колебания уровня воды.

Рассмотрим сначала особенности оползней и обвалов, формирование кото­

рых происходило до образования водохранилищ и не связано с волновой аб­ разией,

Иіследованиями [23, 24J установлены особенности развития склонов гор­ ных водохранилищ, имеющих длительную историю формирования и осложнен­ ных наличием разломов и других деформаций.

Г. С. Золотарев разработал классификацию горных обвалов и оползней в скальных трещиноватых породах применительно к условиям Токтогульского водохранилища, но имеющую более широкое значение. Эта классификация ос­ новывается на учете особенностей контактов ослабления и глубинных разло­ мов, геоморфологических особенностей склона, зон разгрузки и выветривания. Основными зонами ослабления являются разрывы разного порядка, а также крупные тектонические трещины и трещины напластования, по которым наи­ более активно и глубоко проникают процессы выветривания. Г. С. Золотарев по типу зон ослабления, обусловливающих возникновение гравитационных яв­ лений, и их соотношению с простиранием склона выделяет пять групп обвалов

В зависимости от соотношения длины путей оползневого (скользящего) и обвального движения Г. С. Золотарев выделяет обвалы, когда накопления

которые характеризуются накоплениями в виде блоков и пакетов трещинова­ тых и раздробленных пород с гнездами щебня и суглинка.

В первой группе обвалов и оползней установлены четыре основных типа. 1. Сейсмотектонические смещения, осложненные последующими обвалами и- оползнями. Для этого типа характерен захват неразгруженных и невыветре-

лых пород на сотни метров в глубину склонов.

2.Оползни-блоки и смещенные массивы, характеризующиеся захватом на

глубину до 200 и зоны слабой разгрузки и слабого выветривания по трещи­ нам.

3.Обвалы, затрагивающие зону интенсивной разгрузки и слабого вывет­ ривания до глубины 20—30 м.

Обвалы и оползни первой группы обычно приурочены к границам струк­ турных блоков, имеющих различную скорость движения.

Основными условиями и факторами образования обвалов и оползней пер­ вой группы являются сильная тектоническая раздробленность пород вблизи разрывов и соотношение их простираний с ориентировкой склона, резкое уве­ личение высоты и крутизны склонов вследствие эрозионного вреза, дифферен­ цированных тектонических подвижек, а также резкое уменьшение прочности пород вследствие тектонического дробления и разгрузки.

Ксу второй группе относятся обвалы и оползни, захватывающие зону весьма интенсивной разгрузки и выветривания на глубину до 10—20 м и имею­ щие объемы от малых до крупных.

Объемы обвалов меньше, чем в первой группе, из-за подхода господствую­ щих тектонических трещин под большими углами к линии простирания склона.

52

Резкое уменьшение прочности пород происходит не только вследствие ин­ тенсивной разгрузки и выветривания по трещинам, а также обводнения за счет поверхностных вод.

В третью группу входят обвалы и оползни, приуроченные к круто и по­ лого падающим в сторону склона разрывам, крупным тектоническим трещи­ нам и захватывающие зону интенсивной разгрузки и выветривания на глубину до 10—20 м. Эти обвалы и оползни обычно возникают на среднечетвертичных

^.и в верхней части верхнечетвертичных склонов.

Основными условиями образования считается наличие разрывов и крутых тектонических трещин, которые падают вглубь склона или сторону склона (поперечные и косые). Сейсмические толчки очень часто являются непосредст­ венной причиной обрушения.

К четвертой группе относятся небольшие по объему обвалы, приурочен­ ные к узким различно ориентированным трещинам и зонам ослабления раз­ личного происхождения.

Основной причиной возникновения таких обвалов является резкое сни­ жение прочности пород вследствие разгрузки, выветривания и увлажнения по трешьнач.

К пятой группе относятся оползни и оползни-обвалы, основные поверх­ ности отрыва которых приурочены к трещинам напластования и параллельным

новения является уничтожение упора падающих к долине пластов вследствие интенсивного эрозионного вреза реки, а также резкое снижение прочности массива пород вследствие интенсивной разгрузки, выветривания и увлажнения по трещинам. '

В условиях водохранилищ оползни и обвалы могут быть вызваны прояв­ лением абразионных процессов у основания склона. На приглубых берегах ин­ тенсивность волновой абразии вполне достаточна для выноса мелкозема, за­ полняющего трещины между блоками пород.

На горных водохранилищах устойчивость склонов нарушается на значи­ тельной части их береговой линии в результате колебаний уровня воды, до­ стигающих 70—80 м. Попеременное смачивание и высыхание поверхности гор­ ных пород при колебаниях уровня приводят к оглинению блоков и последую­ щему ослаблению связей между ними. Эти процессы приводят к обновлению старых и появлению новых оползней и обвалов [28, 29, 31, 32].

Обвально-оползневые берега получили развитие в заливах и суженных плесах, особенно на горных и предгорных водохранилищах, где отсутствует ветровое волнение. Эти берега обычно сложены рыхлыми породами лессового или лессовидною характера, а иногда сильно выветрелыми коренными поро­ дами. Нарушение устойчивости склона происходит вследствие потери несущей способности горных пород в связи с их растворением, размоканием и движе­ нием грунтовых вод при колебаниях уровня воды. Особенно значительные де­ формации связаны с понижением уровня воды в осенне-зимний период. Этому способствуют сезонные климатические изменения (колебания температуры,

выпадение осадков, снеготаяние и др.).

В связи с этим ссс бенно значительные нарушения и подвижки -оползней наблюдаются весной перед иаполненнем и во время наполнения водохрани­

Морфология и механизм образования оползней

Морфология оползнево-абразионного берега зависит от характера слагаю­ щих пород, условий их залегания и процессов, определяющих развитие склона. В строении оползнево-абразионных берегов обычно различаются: поверхность скольжения, подошва оползня или базис оползания, глубина оползания или глубина захвата склода оползнем, оНолзневые цирки, оползневое тело и оползневые накопления, а также отмели абразионные или аккумулятивные.

53

Признаков развития оползней очень много, но наиболее распространены следующие: оползневые трещины, образующие при соединении линию отрыва, оползневые цирки, плоскости срыва, валы у подножья оползня, оползневые уступы-площадки, наклоненные обычно в сторону склона, «пьяный» лес или саблевидные деревья, взбугренность тела оползня, несовпадение высот зале­ гания пластов и изменение их наклона, повышенная влажность пород и нару­ шение их естественной структуры вблизи поверхности скольжения и нару­ шения нормального состояния различных сооружений (деформация зданий, шоссейных дорог и т. п.).

В тридцатые годы большинство исследователей считало, что основной при­ чиной образования оползней являются подземные воды и поэтому основной мерой борьбы с ними считали отвод (дренаж) подземных вод.

Ф. П. Саваренский (1939 г.) отметил, что пластические свойства горных пород во многом определяют устойчивость склонов. При насыщении горных пород водой происходит переход их в пластическое и даже текучее состояние, в результате этого происходит образование оползней. Обычно пластические деформации (ползучесть пород) испытывают глинистые породы под влиянием длительно действующих давлений.

При понижении уровня воды возникает большая разность высот между бровкой и подошвой склона, что приводит к уменьшению устойчивости скло­ на. Обнажение на склоне водоносных горизонтов создает дополнительное гид­ родинамическое давление воды, фильтрующейся по склону, происходит суф­ фозия в водоносных горизонтах и ті п. Все эти процессы приводят к умень­ шению устойчивости склона.

В настоящее время общепризнано, что основной причиной образования оползней является несоответствие между напряжениями в склонах и проч­ ностью горных пород. Е. П. Емельянова [93] отмечает, что наиболее частой причиной нарушения равновесия склонов является естественная или искусст­ венная подрезка их подошвы.

Абразионная подрезка основания склонов на водохранилищах очень часто приводит к образованию оползней. В результате ветроволновой абразии про­ исходит выработка отмели и нижняя часть склона подвергается интенсивному обрушению, что приводит к повышению крутизны склона и понижению его устойчивости. Аккумуляция наносов и расширение отмели у берегов водохра­ нилищ способствует снижению абразии и, следовательно, повышению устой­ чивости склона.

Вместе с дем, Н. Н. Маслов и 3. М. Караулова (1968 г.) рассматривают оползневые процессы как явления, связанные с медленной и длительной вяз­ кой деформацией — течением оползающей массы по всей глубине. Скорость оползневой деформации при всех прочих равных условиях определяется вели­ чиной коэффициента вязкости грунта. При составлении прогноза для оценки процесса рекомендуются величины коэффициента вязкости для глинистых грун­ тов в текучепластичной, пластичной, полутвердой и твердой консистенции.

Е. П. Емельянова [92] осветила механизм смещений разных типов ополз­ ней. Она доказала, что при любой вогнутой поверхности скольжения величина падения прочности пород в процессе смещения, форма поверхности скольже­ ния и мощность оползня являются основными факторами, определяющими амплитуду и максимальную скорость смещения. Величина смещения оползня до достижения нового состояния равновесия прямо пропорциональна величине снижения сопротивления сдвигу в процессе смещения и обратно пропорцио­ нальна мощности оползня.

При смещении по плоской поверхности скольжения, в частности, покров­ ных образований по поверхности коренных пород, сообщаемое оползню уско­ рение определяется разностью между суммой сил сдвигающих и суммой сил сопротивления. Ускорение в начальный момент в этом случае также опреде­ ляется величиной падения сопротивления сдвигу в процессе смещения. Однако общая величина смещения в этом случае определяется и многими другими фак­ торами, из которых важнейшие — длина оползня, его мощность, прочность слагающих пород, положение тела на склоне и профиль склона.

54