ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕК. Инженерная геология (Ананьев В.П.)

Это одна из классических работ, знание которой необходимо даже для того, чтобы поставить забор на своем дачном участке. Она объясняет работу воды (а это в природе самая мощная сила) в изменении рельефа. В том числе в самых престижных и важных местах — речных долинах, побережье озер и морей.

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕК

Подземные воды и временные ручьи атмосферных осадков, стекая по оврагам и балкам, собираются в постоянные водные потоки — реки. Площадь, с которой к реке стекает вода, называют бассейном реки. Полноводные реки совершают большую геологическую работу — разрушение горных пород (эрозия), перенос и отложение (аккумуляция) продуктов разрушения.

Эрозионная деятельность рек. Эрозия осуществляется динамическим воздействием воды на горные породы. Кроме того, речной поток истирает породы обломками, которые несет вода, да и сами обломки разрушаются и разрушают ложе потока трением при перекатывании. Одновременно вода оказывает на горные породы растворяющее действие.
Перенос продуктов эрозии осуществляется различными способами: в растворенном виде, во взвешенном состоянии, перекатыванием обломков по дну, сальтацией (подпрыгиванием). В растворенном состоянии река переносит до 25—30 % всего материала. Во взвешенном состоянии передвигаются пылевато-глинистые и тонкопесчаные частицы.
Размер обломков, которые может переносить водный поток, пропорционален шестой степени скорости его течения, которая, в свою очередь, пропорциональна продольному уклону русла. Поэтому быстрые горные реки способны перемещать валуны диаметром в несколько метров.
При определенных условиях река откладывает обломочный материал. Речные отложения называют аллювиальными (aQ).
В процессе размывающей и аккумулятивной деятельности реки в коренных породах вырабатывают вытянутые, корытообразные углубления, которые носят название речных долин. На рис. 112, 113 показано, как река за счет эрозии углубляет свою долину, вырабатывает определенный продольный профиль, стремясь достигнуть максимальной глубины. Положение профиля, как и всей эрозионной деятельности реки, зависит от базиса эрозии, под которым понимают уровень моря или каких-либо других бассейнов, куда впадает река (или прекращает свое движение).
По мере углубления долины река проходит ряд стадий. На первой стадии дно реки имеет значительный уклон, поток обладает большой скоростью, интенсивно действует донная эрозия. Долина узкая, глубокая, типа теснины и ущелья. Обломочный материал (аллювий) почти весь поступает в морской бассейн.

Продольный профиль долины реки
Продольный профиль долины реки. Как вода вырабатывает в рельефе профиль равновесия?

Рис. 112. Продольный профиль долины реки:
I — верхнее течение; II — то же, среднее; III—то же, нижнее; 1—3 — последовательные стадии выработки профиля реки; 4 — направление донной эрозии; 5 — базис эрозии

Для этой ста-дии развития типичны горные реки, т. е. молодые реки. По мере приближения русла к максимальной глубине река переходит в последнюю стадию своего развития. На значительном протяжении река теперь имеет небольшой уклон. Скорость потока снижается. Постепенно река вырабатывает равновесный профиль. Глубинная эрозия сменяется боковой. Река размывает свои берега, русло долины блуждает (или меандрирует). Долины широкие, пологие. Обломочный материал в большей своей части оседает в русле. Река мелеет, появляются отмели, перекаты, косы. Такие реки находятся в стадии старости и типичны территориям равнин.
Последовательность стадийного развития рек нарушается движением земной коры (неотектоникой), которые меняют высотное положение базиса эрозии или верховьев рек. Опускание базиса эрозии или поднятие верховья приводит к возобновлению донной эрозии. Долина снова углубляется, и река повторяет стадии своего развития. Поднятие базиса эрозии или опускание верховья снижает скорости течения, и в долинах усиливается аккумуляция наносов. Река быстро стареет.
Большое влияние на развитие рек оказывает производственная деятельность человека. Усиление аккумуляции на каком-либо участке реки может быть вызвано интенсивным забором воды в целях водоснабжения и орошения сельскохозяйственных угодий или увеличением поступления твердого стока за счет сброса в реку отвальных пород горно-рудной промышленности. Сброс в реки большого количества вод с орошаемых территорий может привести к усилению эрозионной деятельности. Строительство водохранилищ, в свою очередь, но иначе влияет на положение базиса эрозии всей реки или ее части. Выше плотин уменьшаются скорости течения, растет аккумуляция наносов: ниже плотин осветленная вода резко повышает донную эрозию. Например, понижение уровня озера Севан (Армения) вследствие сработки воды на гидростанциях вызвало резкую донную эрозию приустьевых частей рек, впадающих в это озеро.
При инженерно-геологической оценке территорий геологическую деятельность рек следует изучать в связи с природными причинами и с хозяйственной деятельностью человека. Особое внимание уделяется размыву русел рек, аккумуляции наносов и подмыву берегов.
Строение речных долин. Долины рек разнообразны по формам, размерам, строению. Это можно видеть в поперечных разрезах. Долины бывают симметричные и асимметричные (рис. 114). Последние являются следствием вращения Земли и свойственны равнинным рекам (или участкам рек) с меридиональным направлением течения.
Долина имеет следующие элементы: дно долины, русло, пойму и террасы (рис. 115). Дно — низшая часть долины, заключенная между подошвами склонов. Русло — часть долины, занятая водным потоком. Поперечный разрез потока называют живым
сечением. Пойма — часть речной долины, заливаемая водой в период паводка в силу таяния снега весной. Поймы бывают низкие, заливаемые ежегодно, и высокие, эти обычно заливаются один раз в 10—15 лет. Старицы — изолированные старые русла рек, в которых вода не движется, а стоит, как в озерах.
Иногда при характеристике речных долин применяют понятие тальвег — условная линия, соединяющая самые глубокие точки дна долины. В большинстве случаев дно долины представляет собой сравнительно ровную поверхность.
Необходимо различать следующие уровни воды в реке:
• расчетный горизонт высоких вод, отвечающий средним из наибольших уровней реки, наблюдавшихся в течение многих лет;
• наивысший горизонт высоких вод, выше этого уровня по многолетним наблюдениям вода не поднималась;
• меженный горизонт — низкий уровень воды.
На береговом участке поймы, вдоль русла, часто образуется прирусловый вал, сложенный песком. Поверхность центральной части поймы содержит протоки, старицы, озера, старые прирусловые валы.
Террасы — уступы на склонах долин рек. Террасы бывают поперечные и продольные. Поперечные располагаются поперек рек долины и порождают водопады. Их появление связано с пересечением рекой пород различной прочности. Мягкие породы размываются быстро, между ними и твердыми породами образуются уступы высотой от нескольких до десятков метров. Вода падает с уступа (порога) и продолжает разрушать мягкие породы. Примером могут служить пороги на р. Ангаре и др.
Продольные террасы располагаются вдоль склонов долин в виде горизонтальных или почти горизонтальных площадок. Их называют надпойменными. При паводках они не заливаются водой. Каждая надпойменная терраса в свое время была поймой. Дальнейшее углубление дна долины поднимает надпойменные террасы все выше и выше.

Отсчет надпойменным террасам ведут снизу вверх (I — надпойменная, 11 — надпойменная и т. д.). Общее количество бывает различным: в долинах равнинных рек до 3—4, горных рек —значительно больше. Известны случаи, когда долины горных рек имеют до 10—15 надпойменных террас. Долина р. Дон у г. Ростова-на-Дону имеет 5 террас, долина р. Кубани у г. Черкесска — до 14.

Каждая терраса измеряется высотой и шириной. Высота колеблется от метров до десятков метров, ширина—от десятков метров до десятков километров. Продольные террасы по слагаю-щему их материалу подразделяют на эрозионные, цокольные и аккумулятивные (аллювиальные) (рис. 116).
Эрозионные террасы вымываются рекой в коренных породах долины и возникают на первых стадиях развития реки (чаще горной) или в ее верхнем течении. Эрозионные террасы, перекрытые маломощным аллювием, называют цокольными. Аккумулятивные террасы полностью сложены из аллювиального материала и наиболее типичны долинам равнинных рек.
Аккумулятивные террасы подразделяют на вложенные и наложенные (рис. 117, 118, 119). Долины с вложенными террасами формируются следующим образом. Вначале река образует долину в коренных породах. Далее в процессе старения река заполняет свою долину аллювиальными наносами.

Типы надпойменных террас по АнаньевуР и с. 116. Типы надпойменных террас:
а — эрозионные; б — цокольные; в — аккумулятивные; 1 — русло; 2— пойма; 3— надпойменная терраса; 4 — то же, вторая; 5 — коренные породы

Виды надпойменных аккумулятивных террас по Ананьеву

Рис. 117. Виды надпойменных аккумулятивных террас:
в —вложенные; б — наложенные; / — русло; 2— пойма; 3—5— надпойменные террасы;
6 — коренные породы

Новое усиление эрозионной деятельности углубляет дно долины, но уже в ранее отло-жившемся аллювии. Часть аллювия, прислоненная к коренному склону, сохраняется в виде надпойменных террас. Последующие циклы накопления наносов дают новые надпойменные террасы, причем каждая последующая по возрасту оказывается моложе предыдущей.
Наложенные террасы образуются несколько иначе. Усиление эрозионной деятельности приводит лишь к частичному размыву ранее отложившегося аллювия. Аккумуляция новых наносов происходит поверх более древних аллювиальных отложений.
Геологическое строение речных долин имеет важное значение при инженерно-геологической их оценке в строительных целях. Наиболее благоприятными в этом отношении являются террасы эрозионные. Значительно сложнее решаются вопросы строительства на аккумулятивных наносах (рис. 120, 121).
Борьба с эрозией рек. Для зданий и сооружений, расположенных в речных долинах, подмыв берегов, в том числе и древних террас, и углубление дна реки представляет значительную опасность. Это приводит к обрушению берегов, сокращению строительных площадок, появлению обвалов, оползней и другим нежелательным явлениям (рис. 122).
Скорость размыва берегов, сложенных рыхлыми породами, может быть значительной. Так, р. Кубань ниже г. Краснодара в отдельных случаях размывала лессовый берег со скоростью до 20 м в год.

Схема строения речной поймы по Шанцеру

Рис. 120. Схема строения поймы (по Е.В. Шанцеру):
А — русло; В — пойма; С —старица; Д— прирусловый вал; Я—уровень половодья; А — уровень межени; М— нормальная мощность аллювия (русловой аллювий: / — крупнозернистый песок, фавий, галька; 2 — мелко- и тонкозернистые пески; старичный аллювий: 3 — торф; пойменный аллювий: 4 — суглинок)

С боковой эрозией борются укреплением берегов с регулированием течения реки. В зависимости от геологического строения берега, характера и места размыва укрепление проводят устройством набережных, подпорными стенками, свободной наброской бутового камня или в фашинных тюфяках, укладкой железобетонных плит и т. д.
Хорошо защищают берег струенаправляющие стенки, дамбы и буны (см. рис. 122), регулирующие направление течения реки.
Способы укрепления подводной и надводной частей берега различны. Подводную часть берега ниже меженного горизонта следует укреплять каменной наброской и фашинными тюфяками, загруженными камнем; надводная часть крепится бетонными армированными плитами, подпорными стенками, камнем в плетневых клетках. В отдельных случаях интенсивная боковая эрозия заставляет переносить сооружения подальше от берега. Так, например, произошло с городом Турткулем. Эрозионная деятельность Аму-Дарьи заставила перенести этот город на новое безопасное место. Так возник новый город Нукус.
Донная эрозия наиболее опасна для опор мостов, поэтому они должны иметь достаточное заглубление. Следует учитывать движение льда, так как заторы могут вызвать резкий подъем уровня реки и затопление прибрежных районов. Заторы следует разрушать, а в местах их образования заранее производить обва- ловывание берегов.
Неблагоприятно сказываются паводки на пойму рек. Сооружения и берега долины необходимо защищать земляными дамбами, отсыпкой камня и другими способами, позволяющими нейтрализовать эрозионную силу паводковых вод. Для строительства более благоприятны неподмываемые и незаносимые участки долины.

Речная терраса

Флювиальный процесс, образование меандров, стариц, речных террас

Образование стариц и речных террас, флювиальный процесс

Рис. 121. Флювиальный процесс: а —план речной долины; б—поперечный профиль

Аллювиальные отложения рек и их строительные свойства. Большую часть обломочного материала реки выносят к морю и откладывают в районе дельт. Волга выносит в Каспийское море до 25 млн т наносов в год.

Значительная часть аллювиальных отложений скапливается в русле рек и на поймах. Общая мощность аллювиальных отложений в долинах рек различна — от нескольких метров до десятков метров. Например, в долине средней Волги аллювий составляет 18—22 м, а аллювий Дона у г. Ростова-на-Дону — до 25 м; у притока Дона реки Темерник— 15—18 м и т. д.
Состав аллювиальных отложений отражает скорость речного потока. Скорость потоков в течение года, ряда лет, а также в зависимости от стадий развития реки весьма различна. Это приводит к накоплению в одной и той же части долины аллювиальных осадков различного -состава и крупности, к литологической пестроте аллювиальных толщ. В состав аллювия входят глыбы, валуны, галечник, гравий, пески, суглинки, глины, илы, органический материал. Там, где течения наиболее сильные, например горные реки, преобладает крупноблочный материал. Для равнинных рек свойственны пески и более мелкозернистые осадки.
По характеру осадков и месту их накопления речные отложения разделяют на дельтовые, русловые, пойменные и старинные.
В дельтах накапливаются песчано-глинистые осадки. Материал, который откладывается в руслах рек, называют русловым аллювием. В его состав входят пески и более грубые обломки — галечник, гравий, валуны. Пойменный аллювий откладывается в период паводка и представляет собой суглинки различного состава, глины и мелкозернистые пески. Отложения поймы обычно обогащены органическим материалом. Старичный аллювий фор
мируется на дне стариц, на которых откладываются илы со значительным количеством органических веществ. В период паводка в старицы поступает тонкозернистый песок, который, смешиваясь с илом, образует илистые пески. Характерной формой залегания старичных отложений является линза.
В основании толщ аллювия обычно залегают отложения, отличающиеся от покрывающих их толщ крупнозернистостью (галечники, гравий, крупнозернистые пески).
В пределах речных долин могут залегать отложения неаллювиального характера. К их числу относят делювий, конусы выноса пролювиальных наносов и эоловые накопления.
Речные долины служат местом активной производственной деятельности человека. В связи с этим аллювиальные отложения зачастую попадают в сферу строительных работ. К оценке аллювиальных отложений, как оснований, следует подходить дифференцированно, исходя из того, что существуют три разных типа грунтов — русловые, пойменные и старичные, не говоря уже об особенностях микрофаций аллювия.
В речных долинах, на поймах и надпойменных террасах часто приходится строить крупные здания и сооружения, передающие значительные нагрузки на грунт. Примером могут служить элеваторы, речные вокзалы, различные портовые сооружения и др. В качестве оснований для них принимают древний уплотненный аллювий аккумулятивных террас и русловые отложения, так как русловой аллювий, представленный крупными обломками и песком, способен выдерживать тяжелые сооружения. Русловые отложения в долинах крупных рек служат хорошим основанием для мостовых переходов. В случаях, когда русловой аллювий перекрывается пойменными и старичными отложениями, используют свайные фундаменты.
Древний пойменный аллювий в виде суглинков и глин твердой консистенции является хорошим основанием. Однако следует иметь в виду, что на древних террасах аллювиальные суглинки часто имеют лессовидный облик и могут обладать просадочными свойствами. В этом случае строительство следует вести как на лессовых просадочных грунтах.
Современный пойменный аллювий обладает высокой влажностью либо вообще находится в водонасыщенном состоянии с низкой несущей способностью. Суглинки и глины легко переходят в пластичное и даже текучее состояние.
Наиболее слабыми из аллювиальных отложений являются старичные иловатые. При строительстве между подошвой фундамента и иловатым грунтом применяют песчаные подушки или свайные фундаменты.
Следует учитывать и такую характерную особенность аллювиальных отложений, как многослойность их толщ с наличием линз и пропластков. Слои и прослои под нагрузкой могут обладать различной сжимаемостью, что значительно усложняет расчет осадки сооружений. Особенно большая опасность угрожает зданию, если его фундамент в разных своих частях опирается на грунты с различной сжимаемостью. С аллювиальными отложениями связаны такие явления, как плывунностъ песчаных и набухание глинистых грунтов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.