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

Небольшие оплывины связаны: а увеличением гидродинамического, а иногда и гидростатического давления;, возникающих вследствие движения под­ земных вод в глинистых делювиальных и аллювиальных образованиях по тре­ щинам.

Стадиальное и циклическое развитие оползнево-абразионных берегов водохранилищ

В развитии оползнево-абразионных берегов водохранилищ, как и других абразионных берегов (см. § 1), выделяются четыре стадии.

В начальной стадии, связанной с первоначальным наполнением водохра­ нилищ, происходят значительные движения оползневых масс, вызванные на­ рушением динамического равновесия склона при переходе нижней части его в подводное состояние и вследствие поднятия уровня грунтовых вод, а также подрезки основания склона волновой абразией. В стадию абразионных отме­ лей и максимальных обрушений берегов преобладают абразионные процессы, ■^обычно определяющие образование оползней надводного откоса. В стадию абразионно-аккумулятивных отмелей на оползнево-абразионных берегах в от­ личие от других типов берегов четко выраженная тенденция затухания про­ цессов переформирования берегов после 8—10 лет эксплуатации водохрани­ лищ не наблюдается, а выявляется значительно позднее. Это связано с тем, что в развитии оползнево-абразионных берегов большое значение имеют

оползневые (процессы, зависящие не только от выработки отмели, но и от дру­ гих процессов, в частности от режима атмосферных осадков, а также уровенного режима.

В развитии оползнево-абразионных берегов водохранилищ можно выде­ лить три основные фазы, составляющие цикл их развития (рис. 13). Заверше­ ние цикла развития не приводит к качественно новому состоянию склона. Про­ филь берега как бы приходит к исходному. Цикл развития повторяется вновь. В связи с тем, что режим водохранилища, направленность и интенсивность формирования береговой зоны задаются человеком, выделенные фазы нельзя отождествлять со стадиями развития оползневых склонов (по Е. П. Емельяно­ вой [89], И. Л. Печеркпну [26] и др.), связанными обычно с геологиче­ ской эволюцией склонов или вызванными совершенно иными причинами. Наи­ большее число циклов в развитии оползнево-абразионных берегов наблюдает­ ся в начальную стадию, а также в стадию абразионных отмелей и максималь­ ных обрушений берегов. В дальнейшем в стадии абразионно-аккумулятивных

•отмелей и становления берегов число циклов сокращается. В стадию динамиче­

пора. Нарушение устойчивости склона происходит вследствие подрезки его основания волновой абразией, растворения пород в зоне взаимодействия воды и горных пород, слагающих берег, а также колебаний уровня воды. В зоне ко­ лебания уровня наблюдается активное выветривание горных пород, а попере­ менное смачивание и осушение приводит к оглинению блоков горных пород. Нарушение устойчивости основания склона вследствие потери несущей спо­ собности горных пород и непосредственное разрушение склона волновой аб­ разией приводит к образованию трещин бортового отпора. Вначале трещины разрозненные, затем смыкаются и оконтуривают оползневое тело в плане. На берегах водохранилищ обычно образуются зияющие трещины. Развитию тре­ щин способствуют сезонные климатические изменения и колебания. Атмосфер­ ные осадки, проникая в трещины, размывают их и тем самым способствуют дальнейшему росту. Попеременное промерзание и оттаивание воды в трещи­ нах водонасыщенных пород также приводит к увеличению их размеров.

В условиях водохранилищ продолжительность фазы абразионной подрез­ ки различна в зависимости не только от геологического строения берега, но также эксплуатационного режима и величины колебаний уровня водохранили­ ща и интенсивности волновой абразии. Меньше всего продолжительность этой фазы в период первоначального наполнения и первые годы нормальной экс­ плуатации водохранилищ, когда разрушению подвергается наиболее выветрелая часть склона или рыхлые делювиальные толщи. Трещины бортового от­

55

пора на склонах, сложенных делювиальными суглинистыми толщами с укло нами более 20—25°, появляются обычно не позднее 1—1,5 мес. с начала их за

топления. Осооенно заметна связь роста трещин с понижением уровня водо­

хранилища при осенней сработке. В это же время происходит интенсивное оползневое смещение.

56

II.Фаза оползневого смещения. Оползневое смещение может происходить

ввертикальном и горизонтальном направлении в зависимости от строения скло­ на. Движение оползневых блоков может быть очень медленным, измеряемым несколькими сантиметрами в сутки, или катастрофически быстрым, сопровож­

дающимся обвалом значительных масс горных пород. Характерным примером быстрого оползневого смещения, сопровождаемого обвалом, были оползни

унос. Куртак и пос. Енисей на Красноярском водохранилище в 1967—1969 гг.

Взависимости от условий образования характер оползневого движения может быть различным. В одних случаях быстрые подвижки сменяются за­ медлением движения или полным его прекращением, а в других — оползание может происходить периодически по мере абразионной переработки склона.

Морфологические формы проявления смещения оползневых масс самые

его уровня воды. При выдвижении оползших масс грунта дальше ранее су­ ществовавшего уреза воды волновая абразия становится более интенсивной. Процесс разрушения оползня завершается образованием отмели на его месте. Абразионная подрезка коренного склона свидетельствует о начале нового оползневого цикла. Затухание оползневых процессов происходит по мере рас­ ширения отмели и уменьшения интенсивности волновой абразии.

На берегах водохранилищ СССР по особенностям циклического развития, генезису и приуроченности к определенным геоморфологическим элементам пер­ вичного рельефа автором [218] выделены следующие основные виды оползней.

Оползни детрузивные или выдавливания, приуроченные к крутым корен­ ным склонам долин, сложенным различными породами, имеющими горизон: тальное или слабо наклонное залегание? В основании склона залегают глини­ стые и песчано-глинистые породы с водоносными горизонтами (рис. 14).

Оползневое смещение вызывается глубинным и боковым размывом рек или абразионным размывом основания склона в условиях водохранилищ. Вследствие потери устойчивости происходит выдавливание и последующее скольжение песчано-глинистых пород у основания склона под нагрузкой выше­ лежащих толщ. Подземные и атмосферные воды облегчают скольжение, вы­ зывают гидродинамическое давление. Смещение начинается обычно снизу и распространяется вверх, образуются трещины и запрокинутые уступы, а вни­

оползневых масс происходит по наклонной поверхности слоев. По мере увели­ чения абразионной переработки основания склона усиливается движение ополз­ невых масс по склону, образуются новые оползни. При значительноіі сработке уровня особенно на горных водохранилищах происходит образование зна­ чительных новых оползней.

Оползни выдавливания наблюдаются на берегах Куйбышевскою, Волго­ градского, Цимлянского (у ст. Баклановской, хут. Комарово и др ), Дубоссар-

крутым коренным склонам долин, сложенным различными коренными порода­ ми, залегающими наклонно к водоему на крыльях структур. Образование оползней-блоков предопределено структурными особенностями берега. Смеще* пие происходит по наклонной поверхности слоев вследствие глуоннною и бо­ кового размыва основания склона, а также деятельности подземных вод, сте­ кающих по наклонной поверхности слоев горных пород. Наиболее интенсивное образование структурных оползней-блоков на берегах Красноярского водо­ хранилища, сложенных девонскими аргиллитами и песчаниками, наблюдалось автором при углах падения пород более 19—20° в сторону водоема.

Переработке подвергается зона интенсивного выветривания обычно мощ­ ностью не более 40—50 м не только вследствие проявления абразии, а также

57

58

выветривания и оглинения блоков горных пород при колебаниях уровня воды. Структурные оползни-блоки наблюдаются на Мингечаурском, Краснояр­ ском и Саянском (у устьев р. Голой, р. Беделиг и др.) водохранилищах

(рис. 14).

Оползни-блоки соскальзывания уступов древних речных террас. Эти оползни образуются на обрывистых уступах древних террас. Цоколь таких террас, как правило, наклонен к реке. По его выветрелой поверхности проис­ ходит оползание блоков горных пород. Развитию процесса способствует на­ личие подземных вод. Оползневые процессы вызываются размывом основа­ ния склона обычно на контакте коренных и рыхлых пород, а также смачива-

Рис. 15. Оползень-блок соскальзывания на уступе V 80-метровой террасы на Красноярском водохранилище у пос. Куртак.

нием подземными водами выветрелого цоколя террасы. Массы горных пород обычно смещаются отдельными блоками. по поверхности цоколя, иногда за­ хватывая значительные толщи нижележащих выветрелых пород. Такие оползни образуются еще при наполнении водохранилища и особенно активны до образования значительной массы пород у основания склона в самом начале его разрушения.

Оползни-блоки соскальзывания наблюдались на Каховском, Волгоград­ ском и других водохранилищах. Особенно характерным было образование та­ ких оползней на Красноярском водохранилище у пос. Куртак. Здесь берегом водохранилища является уступ V 80-метровой террасы, сложенной сверху лес­ совидными супесями и суглинками мощностью 25—30 м и ниже — серыми и зеленовато-серыми каменноугольными песчаниками и аргиллитами (от 10— 15 до 30—40 м). Песчаники имеют общее падение в сторону водохранилища (6—7°). Поверхность цоколя коренных пород очень выветрелая, местами пере­ крыта небольшим слоем (до 1—2 м) очень выветрелого галечника различных пород (сиениты, песчаники, аргиллиты и др.).

В июле 1966 г. во время паводка уровень воды поднялся, произошло сма­ чивание контакта цоколя террасы и рыхлых пород в приустьевой части р. Ча­ пы. После спада уровня воды образовался оползень, отделявшийся от уступа террасы на расстоянии 50 м. Стенка отрыва крутая, уклон 60—65°. Значи­ тельная часть тела оползня сохранилась с дерновым и почвенным слоем. Со­ хранившаяся часть оползня без нарушений дернового покрова резко запро­ кинута в сторону берега.

59

При эксплуатации Красноярского водбхраігилища у пос. Куртак образо­ вались оползни несколько меньших размеров, и в формировании их значитель­

ную роль играла волновая абразия (рис. 15).

Оползни-обвалы, приуроченные к коренным склонам долин. Большинство оползней-обвалов в горно-складчатых областях развиваются в зонах тектони­ ческих разломов. Такие склоны сложены скальными трещиноватыми порода­ ми местами с выходами подземных вод. Расчлененные трещинами блоки и глыбы горных пород приходят в движение в связи с размывом нижней части склона или очень часто вследствие проявления сейсмических толчков. Сколь­ жение блоков и глыб горных пород сопровождается их дроблением и после­ дующим обвалом. Оползневая фаза осложняется обвальными процессами.

Новые оползни могут возникать при абразионной подрезке основания склона, подпоре подземных вод, значительных колебаниях уровня воды в во- -дохранилище, когда происходит оглинивание блоков и глыб коренных пород, а

также при землетрясениях.

Оползни-обвалы установлены на Камском, Боткинском (И. А. Печеркин, 1969 г.), Цимлянском у г. Цимлянска и хут. Кривского (В. А. Клюева, 1959 г.), Саянском в районе рек Чинге, Хемчик, Джой (Д. П. Финаров, 1970 г.) и Дубоссарском (Е. А. Тр'епетцов, 1962) водохранилищах.

Оползни-потоки приурочены к сравнительно пологим коренным склонам (10—15°), сложенным песчано-глинистыми породами, с выходами подземных вод. Оползневые процессы возникают вследствие насыщения глинистых пород подземными и поверхностными водами (талыми, ливневыми, промышленными

и бытовыми стоками, орошения и др.).

Перемещение насыщенных водой вниз по склону масс глинистых пород происходит медленно по корытообразному наклонному ложу и сопровож­ дается образованием продольных и поперечных трещин. При значительных колебаниях уровня водохранилища и выработке абразионной отмели оползне­ вые процессы усиливаются. Г. С. Золотарев (1964 г.) считает, что стабилизация оползней-потоков наступает при средней крутизне склона в 6—7° и меньше. Оползни-потоки установлены на Мингечаурском, Ладжанурском и Краснояр­ ском водохранилищах, а также волжских водохранилищах.

Оползни-оплывины делювиальных склонов. Оползни-оплывины развива­ ются на наклонной поверхности четвертичных или коренных пород, где имеют­ ся выходы подземных вод. Оползневые процессы возникают в результате сма­ чивания'’ поверхностными и подземными водами поверхности коренных пород или водоупорного слоя, а также водонасыщения самих пород. Фаза онолзневого смещения делювиальных толщ происходит наиболее быстро при активно»

волновой абразии основания склона.

Оползни-оплывины наблюдаются на Камском, Боткинском, Горьковском, Красноярском, Братском, Дубоссарском, Светлогорском и Лесогорском водо­

хранилищах.

■ Оползни-с.двиги на коренных склонах долин, сложенных жесткими скаль­ ными породами, залегающими на мягких глинисто-мергелистых отложениях. Эти оползни обычно развиваются на выветрелых склонах верхнечетвертичного и более древнего возраста. При подъеме уровня воды в водохранилище про­ исходит смачивание блоков горных пород и последующее оглинение по тре­ щинам. Периодические колебания уровня воды приводят к вымыванию мелко­ зема по трещинам, уменьшению устойчивости блоков и последующему их от-

Илимского водохранилищ. Ю. Б. Тржцинским [100] установлено, что воз­ никновение и развитие оползней-сдвигов происходит при наличии сравнительно крутых склонов, сложенных жесткими, обычно трапповыми, трещиноватыми породами, залегающими на мягких Глинисто-мергелистых отложениях. Кроме того, на склонах в приурезовой части почти повсеместно происходит разгруз­ ка подземных вод, и берега подвергаются глубинной эрозии.

В условиях водохранилищ активизация оползней происходит при про­ явлении абразий в основании склона, в местах выходов мягких пород, под­ стилающих блоки. Подъем уровня грунтовых вод также способствует акти-

60

визации^ старых оползней, Характерно, что фазы смещения и разрушения оползней-сдвигов растягиваются на длительное время.

Оползни-сдвиги уступов надпойменных и местами пойменных террас, сло­ женных рыхлыми породами. Такие оползни образуются на крутых уступах высотой от нескольких метров до 10—20 м и больше. Особенно значительные смещения происходят па берегах, сложенных лессовидными породами. Сдвиги больших блоков пород происходят вследствие замачивания и растворения пород, а также волновой абразии нижней части склона. Потеря несущей спо­ собности грунта приводит сначала к образованию трещин, а затем оседанию блоков. Дальнейшее разрушение блоков пород происходит обычно под дей­ ствием волновой абразии. Фаза разрушения оползня и весь оползнево-абра­

зионный цикл может повторяться до 6—7 раз в начальную стадию, а затем число циклов уменьшается.

Оползни-сплывы отмелей водохранилищ возникают обычно на аккумуля­ тивной и иногда абразионной ее части. Оползание происходит чаще всего при сработке водохранилища. В сильно водонасыщенной толще сравнительно рых­ лых пород возникает гидродинамическое давление и суффозия, что приводит к оползанию. Особенно характерны оползни-сплывы на отмелях горных и пред­ горных водохранилищ, где отмели имеют значительные уклоны и сработка водохранилищ весьма значительна (3. Халматов, [94, 101]). На равнинных во­

побережья озера Байкал. У берегов выработана отмель, представляющая со­ бой затопленную и слабонаклоненную в сторону озера террасу. Вдоль внеш­ него края отмели широко развиты подводные оползни. В районе р. Снежной оползнями охвачен край отмели протяженностью 1,9 км. Здесь оползанию подвергается уступ отмели, сложённый песчано-галечными отложениями. Об­ разование оползней на уступе отмели А. В. Пинегин объясняет сравнительно быстрым накоплением рыхлообломочного материала на внешнем крае отмели, приносимого реками и при размыве берегов. При этом быстро увеличиваются уклоны внешнего края отмели, и он становится неустойчивым.

Вдоль берегов, сложенных неогеновыми песчано-глинистыми отложениями, подводные оползни развиты не только на внешнем крае, но и на всей поверх­ ности отмели. В таких случаях они являются подводным продолжением оползневых смещений, широко распространенных на береговых склонах юговосточного побережья Байкала. Эти оползни морфологически хорошо фикси­ руются на отмели в виде валов выпирания и разрывных смещений пластов горных пород. Против устья р. Дулихи А. В. Пинегин установил на внешнем склоне отмели консеквентный оползень. Длина его вдоль края отмели равна 350—400 м при ширине 200 м. Смещение его происходит по плоскости напла­ стования неогеновых отложений.

Солифлюкционные оползни развиваются на склонах, сложенных супесча­ но-суглинистыми породами, охваченными сезонной и многолетней мерзлотой. Оползание происходит вследствие оттаивания деятельного слоя. Движение от­ таявшего слоя по наклонной поверхности мерзлых пород сопровождается тече­ нием разжиженных масс. Проявление солифлюкции происходит на склонах

§ 3. Особенности стадиального и циклического развития абразионно-карстовых берегов

Абразионно-карстовые берега имеют распространение в пределах разви­ тия карстующихся горных пород (гипсов, ангидритов, известняков и т. и.).

Исследованиями закарстованных берегов водохранилищ занимались И. А. Печеркин [26], Г. А. Сафьянов [103], Д. С. Соколов [104], В. С. Лукин [105], А. В. Ступишин [106] и другие, материалы которых послужили основой для характеристики особенностей их стадиального и циклического развития.

61

Формирование исходных карстовых форм

Вдолинах рек в зависимости от состава горных пород, геоморфологиче­ ского строения и других факторов различаются поверхностные и подземные карстовые формы.

Развитие карстовых форм рельефа в различных условиях имеет отличи­ тельные особенности. Однако освещение этих вопросов не входит в задачу настоящей работы. Вместе с тем необходимо отметить наиболее общие черты карстового процесса.

Развитие карстовых процессов связано с историей развития речных долин. Изменения положения базиса эрозии обычно приводят к активизации про­ цесса растворения и выщелачивания. Новейшие тектонические движения, вы­ зывавшие усиленное врезание рек, обусловливали увеличение мощности зоны вертикальной циркуляции подземных вод. При снижении скорости новейших тектонических поднятий наступает относительная стабилизация, полости в зоне горизонтальной циркуляции могут превратиться в пещеры [26]. Такая взаимо­ связь эрозионных и карстовых процессов является основой для корреляции карстовых пещер и речных террас. Так в Камской долине в связи с наличием четырех террасовых комплексов насчитывается не менее четырех закарстованных горизонтов. Соответственно «этажами» располагаются карстовые пещеры, полости и поноры [26].

В развитии карстовых процессов исследователями установлено цикличе­ ское развитие. В Нижнем Прикамье М. С. Кавеев (1959) выделяет три основ­ ных карстовых цикла: нижнепермский, мезозойский и кайнозойский.

Развитие карстовых процессов в связи с созданием водохранилищ наибо­ лее полно освещено И. А. Печеркиным [26]. Он отмечает, что объяснение кар­ стовых процессов на основании теории растворимости горных пород в при­ родных растворах встречает много трудностей. Освещение теории растворе­ ния карбонатный и сульфатных отложений содержится в работе Д. С. Со­ колова [104].

Энергетическими показателями ионов являются энергетические коэффи­ циенты (экк). Чем больше энергия кристаллической решетки, тем труднее переходят в раствор ионы. Г. А. Максимович считает наиболее растворимыми в связи с этим химические элементы, имеющие наименьшую валентность и малые ионные радиусы (Na — 0,45, К — 0,36, С а — 1,75, Fe — 5,15 экк).

Г. А. Максимович (1964 г.) в гидрохимическом разрезе платформ выделяет три зоны: 1) эпигидрогенеза, характеризующаяся подземным выветриванием вследствие процессов окисления, выщелачивания и переноса растворенных ве­ ществ вглубь; 2) гидрогенеза (выщелачивания), где происходит выщелачива­ ние и вынос растворенных веществ в речные долины; 3) гидрогалогенеза, от­ личающаяся засолением и метаморфизмом подземных вод. В двух верхних зо­ нах происходит карстовая денудация. Растворимость горных пород опреде­ ляется многими их свойствами и условиями. Изменение среды реакции, дав­ ления, температуры, содержание газов, степень дисперсности вещества и дру­ гие изменяют растворимость горной породы.

Наличие примесей в породах может различно влиять на ее растворимость. Более трудно растворимые примеси снижают растворимость. Глинистость, битуминозность и кремнистость снижают активность карста. Примесь более растворимых соединений повышает общую растворимость породы. И. А. Печеркин отмечает, что обычная концентрация гипса в подземных водах состав­ ляет 2—2,5 г/л, а при концентрации хлористого натрия в растворе около 130— 140 г/л растворимость гипса повышается до 7 г/л. При больших концентрациях растворимость несколько снижается.

- Для подземных вод циркулирующих ниже климатического влияния темпе­ ратура остается постоянной;!! поэтому как фактор растворения не имеет боль­ шого значения.

В развитии карстовых процессов на берегах водохранилищ температура воды И. А. Печеркиным рассматривается одним из ведущих факторов. Наиболее интенсивно растворение гипсов происходит в интервале температур

фологические особенности карстопроявлений обусловлены главным образом характером структурных компонентов известняков (оолнты, цельные рако­ вины, копролиты и т. п.), а также зависят от первичных текстур известняков — слоистости, расположения створок раковин и т. п. Для оолитовых разновид­ ностей известняков характерна сотовидная кавернозность. Щелевидная кавер­ нозность развивается в тех случаях, когда в породах наблюдается слоистость, переслаивание маломощных прослоев известнякового н мергелистого состава. Пористость и кавернозность диагенетического происхождения, что связано с наличием водоупора в виде мергелей и глин, подстилающих известняки.

Развитие карстовых форм на берегах водохранилищ

Закарстованные берега имеются на Камском, Куйбышевском. Каховском, Братском, Красноярском, Шаорском, Павловском и других водохранилищах.

Исследованиями И. А. Печеркина [26] установлено, что формирование закарстованных берегов происходит главным образдм под влиянием раство­ ряющей деятельности воды при постоянном смывании породы ветровой вол­ ной.

Значительные колебания уровня воды в течение года отражаются на ре­ жиме подземных вод, вызывая изменение гидродинамической зональности кар­ стовых вод и периодическое поступление в массив слабо минерализованных вод. Увеличение зоны горизонтальной циркуляции вод приводит к усилению процессов растворения. Особенно интенсивно они происходят в интервале слив­ ной призмы. На Камском водохранилище эта зона составляет 7—8 м (Печеркин, [26]). В связи с этим происходит омоложение старых и возникновение новых форм: коррозионных и провальных воронок, коррозиотю-суффозион- иых воронок, пещер, волноприбойных ниш и форм отседания склонов.

Растворение горных пород облегчается тектонической трещиноватостью. ГВ формировании ниш ІО. А. Архидьяконских [108] выделяет четыре стадии. Расширение трещин вследствие воздействия волн приводит к образованию «коридоров». Растворение стенок «коридоров» увеличивает зону воздействия воды, образуются различные формы выщелачивания (зубья, пластины и т. п.). Развитие этих форм характеризует стадию микроформ. Разрушение волнами микроформ приводит к исчезновению перегородок и образованию ниш (ста­ дия ниш). Отмеченные стадии не приводят к качественно новому состоянию берега, а представляют цикл развития ниш и поэтому их целесообразнее на­ зывать фазами.

И. А. Печеркин отмечает, что ниши выщелачивания образуются в хими­ чески чистых толстослоистых или моцолитных гипсах, разбитых тектонически­ ми трещинами. Ниши имеют вид коридоров, высотой от 1,0 до 2,0 м и шири­ ной 0,5—1,2 м. Они распространяются в глубь берега на 7—12 м и более.

В слоистых породах, загрязненных примесями, возникают каминообразные ниши. В формировании их большую роль играет механическое воздействие волн. Выщелачиванию подвергаются легкорастворимые слои, а труднораство­ римые и нерастворимые отрываются по трещинам напластования. Величина волнопрнбойных ниш различна и на берегах Камских водохранилищ высота их над водой 3,06 м, глубина под водой 1,1 м. В глубь берега ниша прослежи­ валась на 3 м, а вдоль берега — на 30 м [26].

Волноприбойные ниши изучались многими исследователями на озерах и водохранилищах. Г. А. Сафьянов [103] исследовал образование волнопри­ бойных ниш на Куйбышевском водохранилище, И. А. Печеркин — на Камском водохранилище и оз. Байкал.

Карстовые пещеры на берегах водохранилищ претерпевают существенные изменения в связи с волновой абразией и колебаниями уровня.

Па Камском водохранилище И. А. Печеркин [26] исследовал разрушение старых пещер и образование новых «эфемерных» пещер по тектоническим тре­ щинам и трещинам бортового отпора. Эти эфемерные пещеры образовались за 6—8 лет. Длительность существования их определяется скоростью переработ­ ки берегов'

64