CC BY
68
Оползневые процессы на Приморском участке трассы нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан»
Н.Г.Шкабарня, В.А.Смолин, Г.Н.Шкабарня
Проектированию и строительству нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан» на территории Приморского края не предшествовали детальные исследования возможных оползневых явлений при выборе альтернативных вариантов. Поскольку строительство трассы завершено, а исследования на опасных участках не проводились, сегодня, чтобы исключить экологические катастрофы, требуется изучить условия залегания ослабленных слоев, дать оценку и прогноз свойств грунтов на оползневых массивах, по которым проходит трасса.
Полученная информация должна быть использована при проектировании мероприятий по инженерной защите нефтепровода. На выбранных участках помимо осушения откосов потребуются мониторинговые наблюдения за изменениями свойств грунтов и режимом подземных вод. Для выявления наиболее опасных участков и определения прочностных свойств грунтов наряду с традиционными видами работ предлагаем использовать новые, геофизические технологии.
В отличие от других регионов России, рассматриваемая территория характеризуется широким развитием оползневых процессов, связанных со специфическими метеорологическими, геоморфологическими, гидрологическими и геологическими особенностями, а главное - с особым минералогическим составом глинистых отложений. Ниже анализируются как природные, так и техногенные факторы, влияющие на интенсивность проявления оползневых процессов.
К природным факторам в первую очередь относятся метеорологические и гидрологические условия, геоморфологические, структурно-тектонические и литологические особенности строения геологической среды.
В связи с муссонным климатом края здесь, как правило, с интервалом в пять-шесть лет происходят катастрофические наводнения, сопровождающиеся быстрым и обильным выпадением осадков, сильными ветрами, разрушением дорог, мостов, электросетей, затоплением различных строительных объектов и населенных пунктов. В предгорных и горных районах тайфуны приводят к склоновой и русловой эрозии грунтов, оползневым явлениям и сходу селей.
Анализ воздействия тайфунов последних десятилетий [2] позволил выделить следующие характерные причины наводнений: гористый рельеф местности на большей части бассейна рек, резкие переходы от горных частей к равнинным, малая водопроницаемость глинистых грунтов, наличие глубокой сезонной мерзлоты, стесненность долин и русел рек дорожными насыпями и мостами. Наводнения приводят иногда к катастро-
фическим нарушениям в речных долинах - перестраиваются русловые формы, сильно размываются берега рек, уничтожая промышленные и жилые хозяйственные объекты.
В условиях повышенной увлажненности территории за счет продолжительных и интенсивных дождей возможны оползни и обвалы горных откосов и на трассе нефтепровода, особенно опасные на участках стесненных долин в Яковлев-ском, Анучинском, Шкотовском и Партизанском районах. Передовой откос оползня, как правило, подходит близко к руслу водотока и может быть сильно подмыт в паводок. Тогда «осунувшиеся» массы горной породы становятся причиной формирования селевых потоков. На склонах массива образуются многочисленные блоки оползневых накоплений, разделенные системой трещин и ступеней отрыва.
Интенсивное техногенное воздействие в долинах рек всегда приводит к усилению процесса береговой деформации. Устройство водозаборов, разработка береговых склонов при строительстве различных объектов, включая нефтепровод, и расчистка русел рек существенно меняют гидрологический режим и, соответственно, снижают оползневую опасность. Это подтверждает ситуация на участках в долинах рек Илистая, Арсеньевка, Большая Уссурка и Бикин.
К гидрологическим факторам относятся характер обводнения оползневого массива и питание водоносных горизонтов с учетом изменения напряженного состояния массива, в частности гидродинамического давления и гидростатического взвешивания. Существенно снижает прочность пород оползневых откосов повышенная увлажненность территории. Под воздействием поверхностных и подземных вод преобладающие глинистые и песчано-глинистые породы разуплотняются, набухают, также ухудшая параметры устойчивости откосов.
Все известные оползневые процессы в крае связаны в основном с глинами и песчано-глинистыми грунтами. Глины в геологических разрезах вдоль трассы очень разнообразны - от тугопластичных до текучепластичных. При изучении оползневых массивов особое внимание заслуживают те глины, которые в естественном залегании являются мягко- или тугопластичными, но имеют особый минералогический состав и своеобразную внутреннюю структуру, предопределяющую их необычайную склонность к переходу в текучепластичное состояние при увлажнении.
Например, в геологическом разрезе на северных участках трассы (долина реки Бикин, Лучегорский буроугольный разрез) глины неогенового возраста, залегающие на глубине до 30 м, в естественном залегании являются мягкопластичны-
ми, высокопористыми, с большим содержанием пылеватых частиц. При замачивании водой в лабораторных условиях такие глины переходят в текучее состояние, становясь плывунами [5].
В континентальных бассейнах глинистый комплекс образуется в корах выветривания разных пород при отложении угленосных толщ в теплом, жарком и влажном климате. На породы действуют гуминовые кислоты, сернокислые и углекислые растворы. Петрографический состав глин включает: плохо кристаллизованный каолинит (возможно присутствие галлуазита) - 74%, гидрослюду (мусковит, биотит) - 16 % и смектит-монтмориллонит - 10%. В примесях присутствуют хлорит, кварц и цинк. В естественных условиях залегания между двумя водоупорными горизонтами (алевролитами снизу и аллювиальными четвертичными глинами сверху) слой неогеновых глин имеет очень высокую степень водо-насыщенности.
В ходе лабораторных испытаний было установлено, что эти глины - сильнонабухающие, содержащие 37% тонкодисперсных (пылеватых) частиц при природной влажности 108,3%, объемной плотности 1,42г/см3, коэффициенте пористости 2,926 и показателе текучести 3,68. После уплотнения глин до мякгопластичного (естественного) состояния их природная влажность составила 35,4 %, плотность увеличилась до 1,79 г/см3, коэффициент пористости уменьшился до 1,028, в результате мягкопластичные глинистые грунты приобрели скрытотекучее состояние. При испытании образца на сдвиг угол внутреннего трения составил 12о, а удельное сцепление - всего 0,011 МПа.
Аналогичная ситуация сложилась на всех участках трассы нефтепровода. Смещение оползневых накоплений на поверхности скольжения глин после водонасыщения, начавшееся с незначительных подвижек, ведет к огромным перемещениям грунтов. Эти перемещения похожи на настоящие течения, по-
Рис 1. Схема развития оползневых процессов на территории Приморья и расположения трассы нефтепровода 1 - осыпи и обвалы; 2 - сели; 3 - оползни; 4 - равнины и холмистые равнины; 5 - межгорные и предгорные котловины; 6 - базальтовые плато; 7 - низковысотные горы; 8 - средневысотные горы; 9 - границы орографических районов; 10 - границы орографических подрайонов; 11 - границы физико-географических областей (I- Уссури-Ханкайская, II- Восточно-Маньчжурских гор, III- Сихотэ-Алиньская); 12 - трасса нефтепровода
скольку излишек воды в глинах превращает первоначально почти твердый материал в текучую консистенцию. При этом оползневые явления способны смещать блоки твердых горных пород, которые залегают сверху.
Изложенные причины возникновения оползневых процессов вдоль трассы отражают лишь основные тенденции. В каждой области, выделяемой в соответствии с инженерно-геологическими условиями [4], и даже на каждой площади есть свои закономерности и особенности этого явления. Как известно, трасса нефтепровода проходит в пределах областей Уссури-Ханкайской и Восточно-Маньчжурских гор (рис.1). Для Уссури-Ханкайской области характерно распространение площадных кор выветривания древесно-суглинистого типа мощностью до 70 м, образующихся на породах гранитоидной и метаморфической формаций протерозой-палеозойского возраста. Несколько меньшая кора выветривания (до 40 м) отмечается на породах эффузивной и эффузивно-осадочной формации палеозоя. Слабосцементированные тонкоблочные палеоген-неогеновые отложения выветриваются до глин, а грубообломочные - до песков и галечников.
В области развиты в основном подземные грунтовые воды четвертичных отложений и напорные воды кайнозойских артезианских бассейнов. В долинах рек Уссури, Илистая, Мельгуновка аллювиальные отложения представлены преимущественно песчано-галечниковыми породами мощностью 0,5-20 м. Водовмещающие породы обычно бывают перекрыты слоем глин или суглинков мощностью 2-3 м. По химическому составу воды они преимущественно гидрокарбонатно-каль-циевые. Почти все воды обладают агрессивностью выщелачивания.
Водонасыщающие породы комплекса напорных вод кайнозойских артезианских бассейнов представлены слабо-литифицированными алевролитами, песчаниками, конгломератами и бурыми углями. Глубина их залегания колеблется от 15 до 70 м и более. Оползневые процессы связаны со слабоуплотненными породами плиоцена, залегающими на алевролитах, и ведут к смещению оползневых накоплений крупными блоками, которые удаляются от места отрыва иногда на 80-100 м. На северных участках трассы оползневые процессы наблюдаются там, где базальты залегают на кислых и средних эффузивах, эффузивно-осадочных породах нижнего мела, иногда на слабосцементированных маломощных отложениях галечников и песков палеоген-неогена. Смещение чаще всего происходит по коре выветривания, характерной для этих пород. Оползневые склоны имеют ступенчатые профили высотой до 10 м, длина оползней достигает 500 м.
Оползневые процессы наблюдаются на нескольких отрабатываемых открытым способом буроугольных месторождениях, рядом с которыми проходит трасса. Так, на протяжении всего периода строительства и эксплуатации самого крупного в Приморье Лучегорского буроугольного разреза наблюдались оползни бортов, значительно осложняющие проведение работ по добыче угля. Район разреза характеризуется очень
сложными инженерно-геологическими условиями, связанными с особенностью залегания пород, относительно малой их пористостью, слабыми контактами между слоями, наличием водообильных песчано-галечниковых аллювиальных отложений и напорных вод нижележащих водонасыщенных горизонтов.
Наиболее опасные условия отмечаются на участках с наклонным (под углом до 25о) залеганием слоев пород и угольных пластов в сторону долин и наличием слабых пластичных пропластков с низкими характеристиками сопротивляемости сдвигу и высокими напорами подземных вод из нижележащих невскрытых групп угольных пластов. Крупный оползень, наблюдавшийся в начале февраля 2004 года (рис.2), захватил борт протяженностью около 400 м по бровке уступа при величине смещения до 450 м. Объем оползневых накоплений составил 2,5 млн. м3.
В области Восточно-Маньчжурских гор оползневые процессы развиты на базальтах и андезитобазальтах краевых частей плато, где базальты залегают на палеоген-неогеновых глинистых отложениях. Оползневые накопления представлены там преимущественно глинами и щебнем базальтов с глинистым заполнителем.
На Шкотовском плато, по которому непосредственно проходит трасса, под базальтоидами в большинстве случаев залегают глины и суглинки. Именно по этим породам часто происходит сползание блоков базальтоидов. Оползни сходят к берегам рек, прорезающих плато на полную мощность. Часто оползневые участки сопряжены друг с другом и образуют оползневый откос до 8-10 км в длину и до 3-4 км в ширину. Стенки отрыва образуют в рельефе крутой (60-70°) уступ высотой до 100 м обычно дугообразного простирания.
Блоки базальтов при движении образуют запрокинутость в сторону уступа, создавая формы рельефа ступенчатого профиля с высотой ступеней 10-15 м, а иногда до 50 м. Отдельные смещения могут достигать в длину 100-500 м. Сам откос характеризуется наличием мелких бугров высотой 10-30 м, разделенных многочисленными бессточными
Рис.2. Оползень южного борта Лучегорского разреза
ложбинами. Террасовидные площадки распространены в основном в нижней части склона. Наличие бугров свидетельствует о молодости оползневого процесса, так как на древних откосах бугры обычно снивелированы и представлены террасовидными площадками. О молодости оползней на плато можно судить и по стенкам срыва: у современных оползневых склонов стенки чаще обрывистые и скалистые, а у древних - сглаженные и залесенные.
Обоснованная оценка оползневой опасности на трассе нефтепровода требует решения целого ряда задач, касающихся строения всех оползневых массивов, условий залегания и мощности отдельных толщ горных пород, их водообильности и режима подземных вод, литологического состава ослабленных слоев и их прочностных свойств. К сожалению, специальные инженерно-геологические исследования оползневых процессов на трассе не проводились.
В ходе таких исследований следует учесть, что с помощью традиционных технологий, в частности бурения инженерно-геологических скважин, отбора монолитов и инструментальных наблюдений, не всегда можно решить поставленные задачи с необходимой детальностью. Только применение геофизических методов [1] в комплексе с бурением открывает дополнительные возможности для оценки структурно-тектонического и литологического строения оползневых массивов.
Особенностью геофизических исследований является возможность реализации принципов томографии. Это означает, что изучается геологическое строение оползневого массива по трем координатам и можно установить изменение состояния геологической среды во времени путем проведения периодически повторяемых наблюдений. Данный метод позволяет обследовать большие площади, получать пространственные структурные модели, определять напряженные состояния массивов горных пород, наблюдать
за колебаниями влажности и минерализации вод. При этом плотность получаемой информации в пространстве и во времени совершенно недоступна для традиционных видов исследований. Наблюдения не воздействуют на геологическую среду, не изменяют ее параметры, могут проводиться на откосах и многократно повторяться.
Низкая эффективность результатов [5] отмечается только в случае слабой дифференциации физических параметров, разных по литолого-петрографическому составу пород. Но обычно изменения свойств ослабленных слоев, представленных глинистыми отложениями, всегда отражаются в петрофизических параметрах, которые определяются не по единичным образцам, а по измерениям на обширной площади оползневого массива на основании установленных связей между различными геофизическими параметрами и физико-механическими свойствами грунтов.
Исследования с привлечением электрической томографии проводились в течение последних лет на площади оползневых массивов Лучегорского буроугольного разреза, в пределах которого проходит трасса нефтепровода. В результате опытно-методических работ в комплексе с единичными скважинами на бровке оползневого откоса установлены условия залегания, электрические и физические параметры основных комплексов пород в разрезе на разных оползневых массивах. Отмечены фациальные замещения и выклинивания отдельных слоев. Но главным результатом стало определение положения и изменения основных параметров ослабленных слоев, представленных мягкопластичными глинами в толще аллювиальных четвертичных отложений и текучепластичны-ми глинами неогенового возраста.
В результате интерпретации данных исследования получены геоэлектрические модели, на которых повышенными удельными сопротивлениями в диапазоне от 34 до 100 Ом-м вы-
Рис.3. Геолого-геофизический разрез по профилю 6
1 - насыпные грунты; 2 - глина, аргиллиты; 3 - песчано-глинистые отложения; 4 - возраст пород; 5 - удельное электрическое сопротивление
деляются сухие насыпные грунты и техногенные образования (tQIV). Сопротивлениями в диапазоне 15-34 Ом-м отмечаются тугопластичные глины, суглинки и песчано-глинистые отложения четвертичного возраста (aQIV). Участки разреза с сопротивлениями ниже 15 Ом-м соответствовали сильнообводненным мякгопластичным (aQIV) и текучепластичным (N1) глинам. После геологического истолкования геоэлектрических моделей и привязки электрических горизонтов к литологическим комплексам с учетом инженерно-геологических скважин за пределами откоса построены геолого-геофизические разрезы.
В качестве примера представим разрез по профилю 6 (рис.3). Видно, что насыпные грунты и техногенные образования (40 Ом-м) выделены в начале профиля. Среди четвертичных глин уверенно выделяются слой мягкопластичных глин (12-15 Ом-м) мощностью до 10 м и линзы песчано-глинистых отложений (22 Ом-м). Подстилающими являются текучепластичные глины (10-12 Ом-м) неогенового возраста. Ослабленные слои на исследуемых участках грозили опасностью развития оползневых процессов. Последующая стабилизация оползневых откосов предполагала отведение атмосферных и поверхностных вод с поверхности массива, разгрузку оползневых откосов посредством террасирования, строительство подпорных стенок у основания оползня.
Для оценки и прогноза оползневых явлений на трассе можно использовать полученный опыт применения новой технологии в комплексе с одиночными скважинами в удобных местах и таким образом обеспечить безопасность, а также экономическую и экологическую эффективность при эксплуатации нефтепровода. Проведение комплекса мониторинговых работ на опасных оползневых участках с использованием методов электрической томографии позволит картировать динамику области распространения ослабленных пород, осуществлять контроль гидрологического режима и прогнозировать оползневые явления, чтобы оперативно проводить инженерно-технический комплекс работ по предотвращению экологических катастроф.
Литература
1. Богословский В.А., Жигалин А.Д., Хмелевской В.К. Экологическая геофизика. М.: МГУ, 2000.
2. Короткий А.М., Коробов В.В., Шорникова В.В., Скралз-никГ.П. Опасные явления и процессы и их влияние на устойчивость экосистем (юг Дальнего Востока) // География и экология. Владивосток: Вестник ДВО РАН. 2005. №5. С. 42-58.
3. Мясник В.Ч., Шкабарня Н.Г., Шкабарня Г.Н. Изучение структурно-тектонического строения угольных месторождений методом электрической томографии // Горный журнал. 2006. № 12. С. 16-20.
4. Рынков В.С. Инженерно-геологическое районирование Приморского края // Вопросы регионального изучения инженерно-геологических условий СССР. М.: ВСЕГИИГЕО, 1971. С. 16-28.
5. Шкабарня Н.Г. и др. Возможности методов электро-
разведки для оценки техногенных оползневых явлений на угольных разрезах // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Мир горной книги, 2007. С. 391- 400.
6. Шкабарня Н.Г., Шкабарня Г.Н. Оценка структурной модели оползневых откосов угольных разрезов с помощью электрической томографии // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Мир горной книги, 2009. С. 88-99.
Literatura
1. Bogoslovskij V.A., Zhigalin A.D., Hmelevskoj V.K. Eko-logicheskaya geofizika. M.: MGU, 2000.
2. Korotkij A.M., Korobov V.V., Shornikova V.V., Skralznik G.P. Opasnye yavleniya i processy i ih vliyanie na ustojchivost ekosistem (yug Dalnego Vostoka) // Geografiya i ekologiya. Vladivostok: Vestnik DVO RAN. 2005. №5. S. 42-58.
3. Myasnik V.Ch., ShkabarnyaN.G.,ShkabarnyaG.N. Izuchenie strukturno-tektonicheskogo stroeniya ugolnyh mestorozhdenij metodom elektricheskoj tomografii // Gornyj zhurnal. 2006. № 12. S. 16-20.
4. Rynkov V.S. Inzhenerno-geologicheskoe rajonirovanie Pri-morskogo kraya // Voprosy regionalnogo izucheniya inzhenerno-geologicheskih uslovij SSSR. M.: VSEGIIGEO, 1971. S. 16-28.
5. Shkabarnya N.G. i dr. Vozmozhnosti metodov elektroraz-vedki dlya ocenki tehnogennyh opolznevyh yavlenij na ugolnyh razrezah // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten. M.: Mir gornoj knigi, 2007. S. 391-400.
6. Shkabarnya N.G., Shkabarnya G.N. Ocenka strukturnoj modeli opolznevyh otkosov ugolnyh razrezov s pomoschyu elektricheskoj tomografii // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten. M.: Mir gornoj knigi, 2009. S. 88-99.
Landslide Processes in the Primorye Sector Oil Pipeline
«Eastern Siberia - Pacific Ocean». By N.G.Shkabarnya,
V.A.Smolin, G.N.Shkabarnya
This paper discusses the application of electrical tomography for monitoring, evaluation and prediction of landslide phenomena on the boards of coal mines, coastal slopes, the construction of various facilities including gas and oil pipelines. During the investigation the background geoelectric model was developed, which allowed us to exclude the ambiguity in the interpretation of field data. As a result of the geological interpretations geological-geophysical sections with geometric and physical parameters of different rock complexes are constructed. It was found that weak layers can be confidently allocated to the sections. To determine the regularities of changes in the properties of weak layers a routine monitoring is advised, which will evaluate the risk of landslides.
Ключевые слова: электрическая томография, строительство, нефтепроводы, мониторинг и прогноз оползней.
Key words: electrical tomography, construction, oil pipelines, monitoring and prediction of landslides.
