Инженерно,геологическое обеспечение управления состоянием массивов горных пород на оползнеопасных территориях

В.В. Ческидов, к.т.н., доцент кафедры геологии, Горный институт НИТУ МИСиС

В современных условиях при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве в горных районах все чаще возникает необходимость проведения работ в условиях высокой оползнеопасности.

При этом инженерно-геологический контроль состояния осваиваемого массива горных пород становится основополагающим фактором, обеспечивающим безопасность эксплуатации объектов.

Для обеспечение надежного, бесперебойного сообщения объектов горного кластера с основными транспортными узлами г.Сочи в ноябре 2013 года была запущена совмещенная (автомобильная и железная) дорога «Адлер – горноклиматический курорт Альпика-Сервис». Она имеет общую протяженность около 50 км, соединена развязками с федеральной трассой М-27.

Вся территория строительства данного линейного объекта отличается крайне сложной инженерно-геологической обстановкой, работы проводились в условиях молодой альпийской складчатости, что определяет развитие опасных геологических процессов как эндогенного, так и экзогенного характера. Северная часть дороги относится к области высокой, до 8-9 баллов, сейсмичности, здесь же наблюдаются наибольшие уклоны поверхности, это приводит к активному развитию склоновых процессов (обвалы, оползни, сели, лавины), а также водной эрозии.

Наибольшую оползнеопасность вдоль совмещенной дороги представляют склоны, расположенные на левом берегу реки Мзымта, на участке от вокзала «Альпика-Сервис» до портала ближайшего железнодорожного тоннеля. Ведущую роль в формировании и развитии опасных склоновых процессов горных районов играют особенности геологического строения территории, в том числе состав и условия залегания горных пород, структурно-тектонические особенности, гидродинамический режим подземных вод, неотектоническис движения и другие факторы. Верхний слой пород в данном районе представлен элювиальными, делювиальными и оползневыми отложениями, которые представляют собой продукты выветривания аргиллитов, песчаников, порфиритов и других коренных горных пород. В связи с этим поверхностные отложения представлены щебнистыми, дресвяными грунтами с различными заполнителями (суглинки, супеси), а также суглинками и глинами [1, 2].

Для обеспечения безопасной эксплуатации дороги и применения своевременных мероприятий по минимизации последствий опасных склоновых процессов в течение 2011- 2013 годов кафедрой геологии МГИ НИТУ МИСиС совместно с ООО «Алькомп-Европа» была развернута система комплексного мониторинга потенциально оползневых склонов.

Она включает набор аппаратных средств по интерактивному сбору геодезической, геофизической и гидрогеологической информации (инклинометрические измерения, автоматизированная тахеометрическая съемка и сбор пьезометрических данных по сети скважин).

На начальных этапах в окрестности строительства вокзала «Альпика-Сервис» было выполнено рекогносцировочное обследование территории. По материалам маршрутных наблюдений и имеющимся данным о геологическом строении местности были выявлены ключевые участки для проведения дальнейших полевых работ. Также на этом этапе было установлено, что поверхности скольжения большинства оползней в верхних частях приурочены к кровле юрских рассланцованных аргиллитов, а смещающиеся тела сложены преимущественно четвертичными отложениями различного происхождения. При этом необходимо отметить, что на кровле коренных пород образуется слой выветренных пород, состоящий из щебенистых и дресвяных суглинков и глин с очень широким разбросом размера частиц и сформировавшийся в результате длительного замачивания глинистых сланцев. В образовавшихся недислоцированных связных породах сохраняются гладкие плоскости, которые унаследованы от сланцев, по которым наблюдаются очень низкие значения сопротивления сдвигу. В нижней части оползней подобные же прослои мощностью до 1,5 метров формируются в крупных глыбах аргиллитов, некогда перемещенных в результате склоновых процессов.

Для получения полной и достоверной информации о состоянии массива горных пород был разработан план мероприятия, включающий детальное исследование свойств слагающих потенциально оползневые склоны горных пород. Большая сложность при этом возникла при отборе проб ненарушенной структуры, как самих глинистых сланцев, так и их продуктов выветривания. Из-за высокой рассланцованности и трещиноватости при выбуривании аргиллиты часто разрушались практически до щебня, а структура четвертичных отложений не сохранялась из-за достаточно крупных до 2,5 см включений (рис.1).

Выход глинистых сланцев: а) в относительно «сухом» состоянии; б) с прослоями щебнистого и дресвяного суглинка до 0,5 м

Для отбора проб-монолитов глинистых сланцев на основе рекогносцировочных наблюдений и имеющейся геологической информации были выделены площадки, на которых они непосредственно выходят на поверхность и где мощность рыхлых отложений не превышает 2,5 метров. Затем внутри каждого выделенного участка точки позиционировались в соответствии с современными принципами проектирования сетей опробования, с применением математического моделирования и соблюдением основных принципов инженерно-геологических изысканий. Внутри каждого выделенного участка были определены обобщенные функции изменчивости по совокупности исследуемых характеристик отложений, что позволило спроектировать инженерно-геологическую сеть опробования. Использованная методика позволила минимизировать количество пунктов сбора информации без потери ее достоверности [3-6].

Выбуривание кернов производилось непосредственно из массива после зачистки верхнего выветрелого слоя и штуфов, отобранных из шурфов и обнажений в руслах постоянных и временных водотоков (рис. 2).

Выбуривание кернов: а) непосредственно из массива горных пород; б) из штуфов 0,5 м

Для отбора необходимого количества образцов было пройдено 10 шурфов (глубиной до 2 м), из которых отобрано в общей сложности 65 образцов, в том числе: 42 керна диаметром 42 мм и минимальной длиной 85 мм, 17 штуфов, для последующего выбуривания из них проб необходимых геометрических форм и размеров, а также 6 проб ненарушенной структуры связных пород. Последние представлены глинами, которые образовались в результате размокания обводненных сланцев.

Из обнажений в русловых потоках (в общей сложности 18 точек на двух участках) было отобрано 134 керна (диаметром 42 мм и длиной от 88 до 181 мм), нарезано 23 штуфа для последующего выбуривания в лабораторных условиях.

На террасированном участке близ выхода из железнодорожного тоннеля было проведено опробование всего обнажения глинистых сланцев и черных глин со средним шагом опробования 1-1,5 м.

В процессе лабораторных испытаний были определены плотность (ς), прочность породы при одноосном сжатии (σсж), прочность породы при одноосном растяжении (σр), модуль упругости (Ey), модуль деформации (Eд), коэффициент Пуассона (ν), угол внутреннего трения (ψ), удельное сцепление (рис. 3).

Зависимости 􀆲(􀆱􀈡) для: а) глинистых сланцев, б) суглинков дресвяных

Для глинистых сланцев при их сдвиговых испытаниях по напластованию и суглинков дресвяных с включением щебня получены практически одинаковые значения угла внутреннего трения и сцепления, что свидетельствует о наличии глинистого материала между слоями сланца. Данный факт приводит к значительным ослаблениям внутри массива и повышению оползнеопасности.

Полученные данные в результате полевых и лабораторных исследований позволили оконтурить, а затем смоделировать склоны с учетом физико-механических свойств слагающих их пород, а также в привязке к гидрогеологическим условиям местности.

Для оценки опасности потенциально оползневых склонов были произведены вычисления коэффициента запаса устойчивости (􀆦) на участках мониторинга 8 и 9 по десяти контрольным профилям при различной степени обводненности массива с помощью программного комплекса, разработанного на кафедре геологии Московского государственного горного университета в 2011 году.

В расчетах используются методы, утвержденные Гостехнадзором РФ и базирующиеся на теории предельного равновесия «сыпучей среды», включающей также и предельное равновесие связной среды с трением, к которой относится рассматриваемый массив горных пород (рис. 4) [1].

Расчет коэффициента запаса в программе Geodamp при заданном уровне воды в гидрогеологических скважинах

В течение 2013 года был осуществлен комплекс работ по оценке устойчивости склонов при различных изменениях сейсмической, гидрогеологической и климатической обстановки, что в конечном итоге позволило сформулировать критерии в численном эквиваленте для оценки оползневой опасности. Выявленные зависимости коэффициента запаса устойчивости от уровней воды в сети гидрогеологических скважин и с учетом количества осадков были использованы в автоматизированной системе сбора и обработки информации о состоянии массивов горных пород вдоль совмещенной дороги (рис. 5).

Зависимость коэффициента устойчивости от высоты столба воды в гидрогеологической скважине

Осуществленный комплекс работ в 2012-2013 гг. показывает, что склоны вблизи железнодорожного вокзала «Альпика-Сервис» обладают низкими коэффициентами запаса устойчивости, а некоторые потенциально оползневые тела находятся в состоянии предельного равновесия, что может привести к аварийным ситуациям при изменении сейсмической и гидрогеологической ситуации. В связи с этим были разработаны рекомендации по развертыванию сети гидрогеомеханического мониторинга c высокой плотностью для быстрого оповещения о достижении критического уровня воды и принятия управленческих решений по укреплению откоса.

Разработанная и внедренная система комплексного инженерно- геологического удаленного автоматизированного мониторинга является уникальной, опыт, полученный в результате ее развертывания, может быть использован на горных предприятиях, а также при строительстве на оползнеопасных территориях. Важной отличительной чертой системы является возможность учета реологических свойств горных пород, что позволяет повысить надежность оценки устойчивости откосов.

Ключевые слова: устойчивость откосных сооружений, управление состоянием массива горных пород, инженерно1геологические исследования, склоновые процессы, мониторинг, коэффициент запаса устойчивости, проектирование сетей опробования

Журнал "Горная Промышленность" №1 (119) 2015, стр.84