Развитие просадочных явлений в лессах при инфильтрации воды из ирригационных каналов

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 2 Глава 1. Характеристика лесса и лессовых пород 2 Глава 2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЛЁССОВ 2 Глава 3. СТРУКТУРА ЛЁССОВЫХ ПОРОД 2
Глава 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛЁССОВ и лессовый рельеф 2 Глава 5. ПРИРОДА ПРОСАДОЧНОСТИ ЛЁССОВЫХ ПОРОД 2 Глава 6. инженерно-геологические процессы при антропогенном воздействии на лессовые массивы . 2 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 2 ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 2
ВВЕДЕНИЕ Крупные протяженные водоканалы являются сложными гидротехническими сооружениями, многопланово и существенно взаимодействующими с геологической средой, значительно изменяющими ее, нередко в негативном отношении. Трассы каналов, их выемки и насыпи совместно с плотинами, водохранилищами, насосными станциями и дюкерами рассматриваются при изысканиях как единый комплекс сооружений с задачами эколого-геологического обоснования выбора месторасположения объектов, оценки основных компонентов геологической среды, прогноза неблагоприятных процессов и инженерной защиты от их опасного воздействия на территорию и сооружения. Главнейшим фактором, различно воздействующим на изменения геологической среды в районах прокладки каналов, являются подземные воды, существующие и вновь формируемые. Выемки каналов, вскрывая водоносные горизонты, являются дренами и причиной образования в откосах повышенного гидродинамического давления и их неустойчивости. Инженерно-геологические процессы на каналах разнообразны. К наиболее распостраненным процессам относятся: - размывы оснований откосов каналов, что приводит к различным деформациям - осыпанию, осовам, малым и крупным оползням; - просадки в лессах как в пределах канала, так и на прилегающей территории в зоне развития подпора грунтовых вод; - суффозия (механическая) и выщелачивание; - перемещение и аккумуляция наносов, меандрирование русла канала. Также можно отметить фильтрацию воды канала в горном массиве его ложа и бортов, что и приводит в большинстве случаев к развитию вышеуказанных процессов. Фильтрация воды канала происходит по ослабленным, разуплотненным участкам горного массива, которые характеризуются повышенной трещиноватостью - геодинамическим зонам. По современным геологическим представлениям вся приповерхностная часть земной коры разбита на блоки различной тектонической активности. Границы таких блоков представляют собой геодинамические зоны. Они могут иметь либо аномальное напряженное состояние, либо представляют собой структуры, по которым происходили или происходят тектонические подвижки блоков горного массива. Зоны имеют различные размеры, зависящие от причин их возникновения, которые, в свою очередь, полигенетичны. Современная тектоническая активность по геодинамическим зонам разрушающим образом действует на любые техногенные объекты и сооружения. Наиболее интенсивно это происходит, когда протяженные объекты расположены на разных блоках горного массива (объект пересекает геодинамическую зону), или размещены в пределах самой зоны. Кроме потери механической прочности и разрушения объектов, зачастую возникают побочные (сопровождающие) явления и процессы, создающие экологический ущерб, во много раз превышающий ущерб от самого разрушения. Изложенное подчеркивает необходимость детального изучения горного массива основания любых объектов и сооружений, как при выборе площадок под строительство, так и при всем протяжении эксплуатации. Особенно это актуально для таких ответственных линейных объектов, как водные каналы. Для оценки геодинамического состояния и ее мониторинга геологической среды наобходимо объемное ее изучение. Традиционные методы инженерной геологии, бурения и гидрогеологии не всегда могут охарактеризовать геодинамику горного массива в целом и, следовательно, не обеспечивают достоверного прогноза возможных негативных последствий ее влияния на техногенные объекты. Такого недостатка лишены методы электрометрии, позволяющие оперативно оценить состояние горного массива в объеме. В особенности необходимы такие комплексные исследования при строительстве и эксплуатации каналов и водохранилищ в зоне развития лессов и лессовидных пород. Для того, чтобы охарактеризовать явления происходящие в лессах при строительстве и эксплуатации гидротехнических и гидромелиоративных сооружений необходимо, прежде всего, классифицировать лессовые породы, выяснить их генезис, внутреннюю структуру и определить причины порождающие явления просадки, суффозии и вспучивания. Глава 1. Характеристика лесса и лессовых пород В научную литературу термин "лёсс" впервые был введен в 1823 году К.Леонардом и с этого времени началась дискуссия по поводу его происхождения и природы специфических свойств и, прежде всего, просадочности. Первоначально под лёссом понимали любые породы, в которых более или менее выражены "лёссовые" признаки, такие как светло-палевый цвет, пылеватый состав, наличие макропор. Некоторые ученые, например, В.А.Обручев, И.И.Трофимов и другие связывали термин "лёсс" с генезисом породы. Они относили к лёссу только те породы со специфическим "лёссовым" обликом, которые имели эоловое происхождение, то есть были накоплены в результате переноса мелких минеральных частиц ветром. Другие похожие на лёссы породы, но с иным происхождением, они относили к лёссовидным. Многие исследователи (Н.Я.Денисов; Г.А.Мавлянов, С.С.Морозов; А.П.Павлов, 1899) понимали под лёссом породу, имеющую совокупность определенных литологических признаков (светло-палевый цвет, пылеватый состав, макропористость, отсутствие слоистости, наличие большого количества карбонатов) вне зависимости от ее происхождения. Некоторые авторы, например, Г.А.Мавлянов, Е.М.Сергеев и другие считали, что основным диагностическим признаком лёсса является его просадочность. В некоторых случаях просадочные деформации в лёссовых породах могут достигать нескольких метров и приводить к катастрофическим последствиям. Вот какое определение лесса дается в современном «Четырехъязычном энциклопедическом словаре терминов по физической географии (ред. проф. А.И.Спиридонова, изд-во «Советская энциклопедия», Москва, 1980): Лёсс – (от немецкого Löss, от диалектного lösch – свободный, рыхлый) однородные, обычно неслоистые, пористые, слегка сцементированные, мергелистые или суглинистые покровные отложения. Сложены преимущественно зернами алевритовой размерности с подчиненным количеством частиц глинистой и мелкой песчаной фракции. По цвету лессы бывают от палевых до светло-желтых или желтовато-коричневых, иногда содержат раковины, а также кости и зубы млекопитающих. Наличие узких вертикальных канальцев способствует образованию при обвалах крутых вертикальных стенок. Обладает просадочными свойствами. Слагает толщи значительной мощности (от нескольких метров до 100-200м). Относительно происхождения лессов существует несколько теорий, из них наиболее известная – эоловая. Широко распространен в Северном Китае, в Средней Азии, в южных районах Европейской части России, в некоторых районах Центральной Европы и других районах мира, соседствующих с пустынями.
Лессовидные породы – осадочные породы морфологически напоминающие лесс, по составу относящиеся к суглинкам и супесям. Лессовидные породы отличаются от лесса наличием слоистости и прослоев галечников, долее глинистым или более песчанистым составом. Часто залегают в виде небольших прослоев среди аллювиальных галечников. В центральных и северных частях Восточно-Европейской равнины лессовидные породы известны под названием покровных суглинков. Лессовидные породы могут иметь различный генезис – эоловый, аллювиальный, делювиальный, элювиальный.
В Геологическом словаре (Т. 1, Москва, изд-во «Недра», 1978) мы находим сходное определение: Лесс- алеврит, светло-желтой (палевой) окраски с общей пористостью 40-55%, с видимыми невооруженным глазом канальцами, неслоистый, известковистый, более или менее агрегированный, склонный обваливаться вертикальными глыбами и образовывать столбчатые отдельности и вертикальные обрывы. Залегает плащом, в том числе нередко на высших точках на водоразделов, обычно мощностью не менее нескольких метров. Содержание фракций: d=0,01-0,05мм (пылеватые фракции) 30-55%, d0,25мм не более 5%, часто отсутствует. Кварца и силикатов 27-90%, глинозема 4-20%, углекислого кальция 6% и более. Характерные свойства лессов – однородность, переслаивание с погребенными почвами (не всегда), а также содержание раковин наземных моллюсков и известковистых журавчиков. Журавчики – карбонатные конкреции диагенетического происхождения, их форма разнообразная, размеры редко превышают 10см. По мнению большинства исследователей, являются разновидностью ризоконкреций – конкреций образующихся вокруг корней путем их замещения и обрастания. Их форма трубчатая, субцилиндрическая, субконическая, иногда причудливо-желвачковая, как правило связанная с формой корней и стеблей растений но не совпадает с ней и является результатом роста по особому морфологическому закону, зависящему от фации вмещающих пород, что отличает их от псевдоморфоз аналогичного состава по корням или стеблям. В немецкой литературе карбонатные конкреции в лессах называют лессовыми куколками. Минеральный состава разнообразен кварц, полевой шпат, роговая обманка, слюда и др., но преобладающим является кварц. Лёсс пронизан многочисленными короткими вертикальными трубчатыми макропорами, общая пористость повышенная и достигает местами 50-60%, что свидетельствует о недоуплотненности. При сильном увлажнении лессы образуют просадки. Лесс зонален, приурочен к умеренному – семиаридному климату. Все породы, морфологически напоминающие лессы, но не имеющие полного комплекса вышеуказанных признаков, называются лессовидными (лессовидный суглинок и др.). Сходное определение лесса даетА.Я.Швецов (НИИ горного природопользования): Лессы - это однородная рыхлая порода желтовато-серого, серого, светло-коричневого или бурого цвета, пылевато-песчано-глинистого состава, содержащая по грансоставу более 50% пылеватых частиц; преимущественно макропористая, обычно с повышенным содержанием карбоната кальция; в маловлажном (природном) состоянии относительно прочная, способная держать вертикальные откосы; при замачивании легко теряет структурные связи между частицами и дает просадку от внешней нагрузки и (или) природного давления грунта; при полном водонасыщении может перейти в плывунное состояние. Приведенная авторская трактовка термина “лесс”, в основном, соответствует содержанию этого понятия в отмененном ГОСТе 25100-82 “Грунты. Классификация” (в новом ГОСТе термин “лесс” отсутствует). Глава 2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЛЁССОВ Выяснение генезиса лессовых пород представляет значительные трудности. Более чем за вековую историю изучения лёссов было предложено не менее двадцати различных гипотез их происхождения. Обобщение этих данных позволило объединить все гипотезы в несколько групп, объясняющих возникновение лёссов эоловым (ветровым) и водным путем. Эоловая гипотеза. Ее основателем является Ф. Рихтгоффен (1877). Относя лёссы к эоловым отложениям, он не считал ветер единственным фактором образования лёссовых пород. После детального изучения лёссов Китая Ф. Рихтгоффен пришел к выводу, что лёссовый (пылеватый) материал переносился и откладывался в бессточных впадинах ветром и дождевой водой и удерживался там степной растительностью. Эоловая гипотеза нашла много последователей среди ученых России и других стран, которые развили и дополнили ее. После капитальных исследований Ф.Рихтгофена и В.А.Обручева утвердилось представление об эоловом генезисе лессов. Так, В.А. Обручев (1904) объяснял формирование сплошного лёссового покрова на высоких элементах рельефа за счет пыли, принесенной из отдаленных районов (экзотическая пыль). По мнению П.А.Тутковского (1899), ветры развевали ледниковые отложения и уносили пыль далеко от ледникового покрова, где она и образовывала лёсс. Американские ученые Ф.Леверетт (1899), Т.Чемберлин и др. (1909) основное значение придавали образованию пылеватых толщ за счет развевания речных и водно-ледниковых отложений близлежащих долин. Многие известные отечественные и зарубежные ученые, например, А.И.Москвитин, И.И.Трофимов, Н.И.Кригер были и до настоящего времени остаются горячими сторонниками эоловой гипотезы. Это связано с тем, что данная гипотеза хорошо объясняет покровное залегание лёссов на больших площадях и подкрепляется фактами быстрого накопления в засушливых областях довольно мощных слоев пылеватых осадков после прохождения сильных пыльных бурь. По Кригеру главнейшими факторами, определяющими образование лессов, является эоловый принос пыли, делювиальный литогенез, сингенетичные процессы выветривания и почвообразования в засушливом степном (семиаридном) климате. Признаки, хотя иногда и спорные, по которым лесс может быть признан эоловым следующие: 1) чуждый минеральный состав, 2) закономерное изменение гранулометрии и содержания тяжелых минералов по мере удаления от вероятных источников развевания, 3) залегание на изолированных возвышенностях или на обширных горизонтальных площадях, где невозможна роль делювиальных процессов. Гипотезы водного происхождения. Большинство исследователей считает, что толщи типичных лессов, распространенных в полосе с умеренным и семиаридным климатом, возникли в ледниковые эпохи в перигляциальной зоне. Процессы лессообразования неоднократно прерывались в межледниковья, о чем свидетельствует чередование в разрезах горизонтов лессов и погребенных почв. Среди сторонников, рассматривающих лёсс как породу, сформировавшуюся в водной среде, следует отметить выдающихся ученых П.А.Кропоткина (1876), В.В.Докучаева (1892), А.П.Павлова (1898), Ю.А.Скворцова (1948), Н.И.Толстихина (1928). По мнению этих исследователей, образование толщи пылеватых осадков происходило в результате смыва и последующего переотложения склоновых пород, переноса и накопления минерального материала в речных долинах и озерах, а также переноса и накопления лёссовых отложений водно-ледниковыми потоками. Существовала также точка зрения, что лёсс - это принесенная пыль, но переотложенная водными потоками. Все эти гипотезы рассматривают лишь процесс накопления пылеватых отложений, но не отвечают на главный вопрос: как пылеватый осадок превращается в лёсс с характерным набором признаков и свойств.
Почвенно-элювиальные гипотезы. В соответствии с этими гипотезами пылеватые отложения могут накапливаться любым путем, а их превращение в лёсс со всеми специфическими признаками этой породы происходит в результате почвообразования и выветривания. К сторонникам этой гипотезы следует отнести Л.С.Берга (1916), Н.М.Симбирцева (1900), Б.Б.Полынова (1934), И.П.Герасимова (1939), Н.М.Симбирцева. При рассмотрении данных гипотез, к сожалению, приходится констатировать, что они могут объяснить происхождения лишь отдельных лёссовых толщ.
В 1903г. А.П.Павловым было выяснено пролювиальное происхождение большей части лессовидных пород Средней Азии. В 1916г Л.С.Берг предложил новую гипотезу происхождения лессов из любых мелкоземистых пород путем выветривания и почвообразования в условиях сухих степей (гипотеза облессования). Эолово-почвенной гипотезы происхождения алтайских лессов придерживаются А.Я.Швецов и Г.В.Швецова. Согласно этой гипотезе формирование лессов происходило следующим образом: - осаждение на поверхности почвы экзотического эолового материала, сопровождаемого и привнесением энтопических эоловых частиц; - сингенетичное накопление на поверхности почвы эолового материала и органической массы надземного опада; - включение поступающих эоловых частиц в процесс почвообразования (взаимодействия растений, животных и продуктов их распада с минеральными соединениями, водой и воздухом пор); - формирующаяся при этом почва, вовлекаясь в цикл почвообразовательных процессов, обусловливает рост вверх гумусового горизонта “А” почвенного профиля, одновременно нижняя погребаемая часть почвы (гумусовый горизонт “А”, существовавший до накопления новых порций эолово-органогенного материала) ввиду роста почвенного профиля вверх, постепенно выводится из сферы активного почвообразования. При этом в значительной мере происходит разложение гумуса, а минеральная составляющая часть почвы получает еще большее превалирование, грунт приобретает более светлую окраску. И, таким образом, этот горизонт постепенно (от нижних частей его к верхним) трансформируется в так называемый переходный подпочвенный горизонт “В¢” почвенного профиля. Он испытывает большое влияние от почвообразовательных процессов, активно идущих в новом вышерасположенном горизонте “А”. В новообразованном горизонте “В” проходят заключительные этапы почвообразовательных процессов. Интенсивно протекают процессы выноса и аккумуляции веществ (в частности, в иллювиальном горизонте происходит накопление карбоната кальция); - при дальнейшем накоплении эоловых осадков, соответствующем росте почвенного профиля вверх (т.е. при дальнейшем увеличении мощности почвы над рассматриваемым горизонтом “В”) и продолжающемся развитии процессов диагенеза (в том числе уплотнение грунта, разложение остаточного гумуса, разрушение первичных минералов и образование вторичных) новообразованный подпочвенный горизонт “В” постепенно преобразовывается в лесс, лишенный признаков почвы (иногда сохраняющий ее реликты), с весьма небольшим содержанием гумуса (как правило, доли процента) или с полным его отсутствием. Почвообразование на Алтае в четвертичное время происходило, в основном, в степных и лесостепных условиях при существовании окислительного режима в почвах. Основываясь на эолово-почвенной гипотезе образования лессов, можно дать объяснения таким важным их особенностям, как агрегатное строение, повышенная карбонатность, макропористость, недоуплотненное состояние и просадочные свойства. Формирование агрегатной структуры лессов связано с почвенными процессами. Она создавалась в основном, когда грунт находился в стадии гумусового горизонта “А”. Корни и корневые волоски растений, а также деятельность животных разделяли почвенный материал на отдельные комочки и микрокомочки. При разложении отмерших органических остатков образовывалось гумусовое вещество (органические кислоты), которые при взаимодействии с эоловым материалом связывалось основаниями, образующимися при разложении минералов. Так возникали коллоидные органоминеральные соединения. Последние, коагулируя, выпадали на поверхности минеральных зерен, способствуя их склеиванию и формированию водоустойчивых агрегатов различного порядка. Упрочнение структурных агрегатов происходило, когда грунт находился в стадии переходного горизонта “В”, посредством цементации частиц глинистым веществом, отлагающимися солями фильтрующихся атмосферных осадков, а также солями, образующимися при почвенных процессах (карбонатом кальция, гидроокислами железа, гипсом и др.). Среди исследователей лессов имеются разногласия по объяснению повышенной карбонатности этих пород, характерной для всех лессовых провинций. Известно, что в почвенном профиле черноземов, под поверхностным гумусовым горизонтом “А” и горизонтом “АВ”, формируется горизонт вторичной аккумуляции карбоната кальция “ВСа”. Согласно приведенной гипотезе, стадию подповерхностного горизонта “ВСа” прошел весь слой лессовой толщи. Поэтому повышенное содержание карбоната кальция в лессах отмечают не только под почвой, но и на больших глубинах. Исследования последних лет доказали тот факт, что эпохи лессообразования связаны с перигляциальными зонами оледенения и общепланетарными похолоданиями климата. Это подтверждается спорово-пыльцевыми спектрами из лессов Украины, где преобладает пыльца холодолюбивых растений и находками холодоустойчивых комплексов моллюсков, населяющих сейчас тундровую и таежную зоны и высокогорные области. В ископаемых почвах и почвенных отложениях преобладают теплолюбивые моллюски лесной, лесостепной и степной зон. В течение своей геологической жизни лессовые породы независимо от их генезиса неоднократно находились в многолетнем и сезонномерзлом состоянии, т.е. прошли в процессе формирования стадию криолитогенеза. Это подтверждается многочисленными разрезами в степной и полупустынной зонах, где наблюдаются деформации лессовых пород и погребенных почв криогенной природы. Формирование лессовых пород Средней Азии и Казахстана происходило под воздействием процессов криогенеза в перигляциальных условиях горных оледенений Тянь-Шаня и Памира. При этом максимальные оледенения указанных горных сооружений совпадали с эпохами максимальных оледенений на Русской платформе и Западной Сибири. За последние десятилетия в свете накопленного обильного фактического материала стало очевидным, что в составе лессов и лессовидных пород необходимо выделять различные генетические типы в зависимости от ведущего процесса их образования: делювиальные, пролювиальные, элювиальные, флювиогляциальные, аллювиальные, озерные, эоловые. Это позволило конкретизировать палеогеографические условия, источники сноса, различать свойства лессов и лессовидных пород в зависимости от их генезиса. Термин «лёсс» перестал быть синонимом эолового генезиса; он понимается в настоящее время как тип породы, природа которой является полигенетической. Обобщение и анализ существующих в настоящее время гипотез происхождения лёссов позволяет сказать, что процесс формирования лёссовых пород состоит из двух этапов: 1) накопление минерального пылеватого осадка, которое может происходить различными путями, 2) превращение накопленного осадка в типичный лёсс, то есть в просадочную породу.
Безусловно, второй этап, характеризующийся появлением уникального явления - просадочности лёссов, имеет важнейшее значение. Ведь именно просадочность делает лёссы теми загадочными породами, над которыми уже более ста лет бьются ученые. Глава 3. СТРУКТУРА ЛЁССОВЫХ ПОРОД
Многолетний опыт исследований лёссов показывает, что одним из основных факторов, определяющих просадочность этих пород, является их специфическая структура, то есть размер и форма твердых (минеральных) структурных элементов, строение порового пространства и особый характер структурных связей (взаимодействий между частицами). Как уже отмечалось, лёссы - это пылеватые породы, которые не менее чем на 50% состоят из пылеватых частиц с размерами 0,005-0,05мм. Для большинства лёссов характерно высокое, иногда до 15-20%, содержание карбонатов, преимущественно кальцита (CaCO3), и присутствие до 3-5% растворимых солей (сульфаты, хлориды). Важной особенностью структуры лёссовых пород является ее высокая агрегированность, когда пылеватые и глинистые частицы образуют изометричные агрегаты с размерами 0,01-0,25мм. Специфическое строение имеют песчаные и крупные пылеватые зерна, названные глобулами. Как показали наблюдения в электронном микроскопе, в центре глобулы размещается ядро, состоящее из отдельных кварцевых микроблоков. Поверх ядра располагается дырчатая оболочка кальцита, которая в свою очередь перекрывается глинистой "рубашкой" (непрерывной пленкой частиц глинистых минералов), пропитанной оксидами железа и аморфным кремнеземом (SiO2). В электронном микроскопе, при разрушении глобулы, в ее центре виден хорошо ограненный микрокристалл кварца со следами кальцитовой оболочки на поверхности. Специфический характер твердых структурных элементов в лёссах обусловливает формирование в них так называемых агрегативных, или зернистых, микроструктур. Величина общей пористости лёссов обычно изменяется от 26 до 64%. Наибольшая пористость отмечается у лессов покрывающих предгорные имежгорные равнины, а также равнины Причерноморья и Восточной части Северного Кавказа. Менее пористы отложения северной части Русской платформы, Восточной Сибири. Имеющиеся данные различных авторов позволяют выделить три основные схемы, отражающие характер изменения пористости с глубиной: 1) закономерно выраженное уменьшение пористости; 2) циклическое изменение пористости в соответствии с особенностями строения толщи; 3) отсутствие какой либо четко выраженной закономерности. Поровое пространство лёссовых пород характеризуется присутствием трех типов пор: макропор, межзерновых и межагрегатных микропор, внутриагрегатных микропор. Наиболее крупными являются макропоры, имеющие трубчатую форму с диаметром 0,05-0,5мм. Они обычно хорошо видны невооруженным глазом и пронизывают лёссовую породу в вертикальном направлении. Макропоры являются одним из важнейших диагностических признаков структуры просадочных лёссов. Существует несколько гипотез возникновения макропор: 1) макропоры - следы корней растений; 2) большая часть макропор представляет собой своеобразные магистральные каналы, образовавшиеся в результате преимущественно вертикальной миграции воды и газов. В пользу второй гипотезы свидетельствует наличие значительных выделений солей на стенках макропор. Однако нельзя недооценивать и роль растений, животных и насекомых в процессе образования макро- и мегапор в лессовых породах. Изучение лессов в Алтайском крае показало, что количество макропор в лессах различно: от 1-3 на 1см2 до 8-10 на 1см2, а на отдельных участках до 15-20 макропор (как сито) на 1см2. Чаще же на 1см2 приходится 2-5 макропоры. Форма их, как правило, цилиндрическая, трубчатая. Сечение округлое. Диаметр макропор от 0,1 до 3-4мм, чаще 0,5-1,5мм. Расположены они субвертикально. Длина их различна: от долей сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Нередко эти канальцы имеют ответвления. Иногда встречаются изометричные макропоры. Судя по трубчатой форме макропор, их субвертикальности, происхождение большинства из них связано с ростом и отмиранием корней растений. Корни пронизывают всю почву густой сетью. Количество корней велико: по данным М.А. Глазовской, у одного из типичных луговых растений - мятлика, длина корней сосредоточенных в 1 дм3 верхнего горизонта почвы составляет 553м, а длина корней-волосков в этом же объеме - 73км. Формирование макропор не заканчивается при выведении грунта из сферы активного почвообразования. Количество корней в единице объема на глубине 1,2м лишь в 3 раза меньше, чем на глубине 0,1-0,2м. В лессе до глубины 1-3м постоянно и активно продолжается процесс формирования макропор. Макропоры по отношению к грунту являются сингенетичными, в меньшей мере - эпигенетичными. Помимо растений большое участие в формировании макропор принимают многочисленные представители животного мира: черви, личинки жуков, кроты и другие землерои. Полости животного происхождения составляют заметную часть порового пространства и в основном являются сингенетичными. По сведениям В.В. Докучаева, на одной десятине отмечалось до 1,836 млн. личинок хлебных жуков. Не исключается образование определенного количества пор и при циклическом промерзании и оттаивании пород (формировании пор при промерзании грунтов в результате процессов пучения и образования стяжений льда). Некоторая часть порового пространства грунта непосредственно обязана неплотному сложению эоловых частиц в почве из-за отсутствия внешней нагрузки на них, “дыханию” почвы при ее промерзании и оттаивании. Просадочность связана с недоуплотнением грунтов и наличием макропор. Сохранению просадочных свойств лессов (до глубины 8-12м) способствовала благоприятная климатическая обстановка в позднечетвертичную и современную эпохи: континентальные условия с относительно небольшим количеством осадков и значительным испарением, о чем свидетельствует характерный для этого периода типичный степной ландшафт. При этом формировались, в основном, черноземные и каштановые почвы с непромывным режимом, наблюдаемые на Алтае и в настоящее время. Просадочные лессовые отложения имеют территориальную приуроченность именно к таким почвам. Образующиеся покровные лессы в течение всего этого длительного времени (22 тыс. лет) в основном имели низкую влажность, при которой не происходило разрушение структурных связей лессов. Это в значительной мере способствовало сохранению макропористости (а значит и просадочных свойств лессов) при накоплении новых поступлений эолового материала, погружении грунтов на большие глубины, т.е. при повышении давления от вышележащих осадков. Но при этом грунты все же подвергались некоторому уплотнению от возрастающих нагрузок, и с глубиной постепенно уменьшалась пористость и снижалась относительная просадочность грунта. На глубине 8-12м, где вертикальное напряжение от собственного веса грунта достигает 0,16-0,20 МПа, грунты уже заметно уплотнены, приобрели низкую пористость (41-43%), а просадочные свойства ими утрачены. Консервация макропористости и просадочных свойств грунтов была возможна в условиях, когда лессы обладали повышенным содержанием легко- и среднерастворимых солей, фиксирующих, цементирующих стенки пустот (макропор). Такие просадочные грунты с более жесткими структурными связями могут встретиться и на больших глубинах (15-25м), залегая среди непросадочных лессов. Подобные грунты иногда отмечались при изыскании на Приобском плато.
Наиболее важными в структуре лёссовых пород являются межагрегатные и межзерновые микропоры. Эти микропоры обычно имеют изометричную форму, а их размер изменяется от 0,008 до 0,05мм. Электронномикроскопические исследования показывают, что подобные микропоры слагают основную часть порового пространства и относятся к категории так называемой активной пористости, которая и определяет величину просадочной деформации породы. Подчиненную роль в поровом пространстве играют более мелкие внутриагрегатные микропоры с размером менее 0,008мм. Специфический состав и условия формирования лёссовых пород приводят к образованию у них разнообразных по своей природе структурных связей, которые во многом определяют особенности деформирования этих пород при увлажнении.
Основную роль в структурном сцеплении (связности) лёссовых пород играют контакты между зернами и глинисто-пылеватыми агрегатами, осуществляемые через глинистые "рубашки" или глинистые "мостики". В физико-химической механике дисперсных систем такие контакты называются переходными. Их прочность обусловлена ионно-электростатическими силами. Характерной особенностью переходных контактов является их обратимость по отношению к воде. При увлажнении они быстро теряют прочность и трансформируются в слабопрочные коагуляционные контакты. Помимо переходных, в просадочных лёссовых породах могут также существовать фазовые контакты цементационного типа, обусловленные выделением легко растворимых солей в приконтактных зонах при испарении поровой влаги. Рассматривая механизм просадочности лёссов, можно сказать, что присутствие обратимых переходных контактов повышает просадочность благодаря их быстрому разрушению при увлажнении породы. Наличие же более прочных фазовых контактов цементационного типа может приводить к увеличению прочности всей структуры и, соответственно, снижению величины просадки. Для подобных пород характерны медленные послепросадочные деформации, которые во много раз могут превысить величину самой просадки при кратковременном увлажнении. И, наконец, при рассмотрении процесса просадочности лёссов нельзя не принять во внимание присутствие в этих породах сил поверхностного натяжения воды, так называемых капиллярных сил, о которых часто забывают многие ученые. Точные экспериментальные исследования показывают, что по мере заполнения пор водой, то есть при исчезновении капиллярных менисков, связывающих отдельные зерна и агрегаты, при увлажнении лёсса происходит слишком быстрое и резкое снижение его прочности, которое нельзя объяснить только разрушением переходных и цементационных контактов. Силы поверхностного натяжения воды вполне могут играть роль своеобразного спускового механизма, обусловливающего начало процесса просадки. Подводя итог, можно сказать, что в основе просадки лежат два взаимосвязанных явления, развивающихся при увлажнении лёссов и воздействии внешней нагрузки: Во-первых, происходит резкое снижение энергии взаимодействия структурных элементов на контактах, потеря структурной прочности вследствие преобразования переходных контактов в коагуляционные и исчезновение сил поверхностного натяжения. Во-вторых, происходит распад глинисто-пылеватых агрегатов, сопровождаемый формированием своеобразных дефектов в микроструктуре лёссов, и возникают условия для взаимного смещения структурных элементов. Таким образом, в результате просадки происходит смыкание части макропор и большинства крупных межагрегатных микропор и формируется более плотная и однородная микроструктура. Одновременно возрастает содержание мелких межагрегатных и внутриагрегатных микропор. Просадочные лессовые породы в естественном сложении характеризуются высоким содержанием больших межчастичных и межагрегатных пор размером 20-100мкм. Их размер обусловлен пространственным расположением в породе глобулярных агрегатов. Пористость просадочных лессовых пород колеблется в пределах 40-64%. Можно предположить, что просадочных породах упаковка глобулярных агрегатов близка к наименее плотной. Непросадочные разновидности лессовых породимеют величину общей пористости 26-40% и характеризуются высоким содержанием тонких межагрегатных пор диаметром Наибольшей просадочностью обладают зернисто-пленчатые грунты, менее просадочны зернисто-агрегативные, слабо просадочны или непросадочны - агрегативные. Глава 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛЁССОВ и лессовый рельеф Распространение лессов Лёссовые породы встречаются на всех континентах, но наиболее широко они распространены в Европе, Азии и Америке. По подсчетам специалистов, при средней мощности лёсса 10м общая площадь, занятая лёссовыми породами на земном шаре, составляет 19 млн.км2. Северная граница распространения лёссов опускается в Европе до 600 с. ш., в Азии она проходит гораздо севернее, а южная граница достигает 280с.ш. В тропических и субтропических областях лёссы не встречаются. На территории стран СНГ площадь, покрытая лёссовыми породами, составляет около 34% континентальной части СНГ. Лёссы лежат сплошным покровом на большей части Украины (до 80%) и юге европейской части России. Большие площади покрыты лёссовыми породами в Средней Азии, Казахстане, Восточной, Южной и Западной Сибири. Довольно часто они встречаются в Белоруссии, Поволжье, Якутии и других районах. В Алтайском крае понятию “лесс” отвечают породы верхней части рыхлых кайнозойских отложений, залегающих непосредственно под почвой. Они имеют значительное распространение на обширных пространствах равнинной и предгорной частях края. Лессы имеют площадное развитие. Явный покровный, плащеобразный характер их залегания подчеркивается тем, что они распространены на разных элементах рельефа и на разных абсолютных отметках, почти не меняя своей мощности. Огромные территории в крае (400х400км) покрыты лессом: водораздельные пространства, склоны и высокие террасы крупных рек. Почти повсеместно они распространены в Приобском плато, Бийско-Чумышской возвышенности, Предалтайской равнине, Ненинской равнине, в предгорьях Салаирского кряжа и в пределах Обь-Чумышской озерно-аллювиальной равнины (4-ая надпойменная терраса р. Оби). В Кулундинской равнине сплошной покров лессов отмечается только в восточной и северной ее частях. В центральной, западной и южной частях равнины они имеют спорадическое развитие. Лессы отсутствуют в долинах древнего стока. В долинах рек Оби, Чарыша, Песчаной, Чумыша, Ануя, Алея и др. рек их также нет на поймах и, как правило, нет на первой и второй надпойменных террасах (хотя местами они там отмечаются). На 3-ей и 4-ой террасах они получили большое развитие. В горных областях Алтая, где получили значительное развитие делювиально-коллювиальные процессы, и в составе покровных отложений присутствует грубый терригенный материал, лессов почти нет, хотя эти породы и имеют многие черты лессовых грунтов, в том числе, нередко, и просадочность. Но ввиду наличия в них дресвы и щебня отнести их к лессам нельзя. Они отмечаются лишь на тех ограниченных ровных участках, где в составе отложений отсутствуют дресва и щебень.
Мощность лессов обычно составляет 8-10м. Нередко она достигает 12-13м, особенно в центральных, северо-восточных и восточных частях края. В юго-западных частях края мощность лессов уменьшается до 1-5м (Кулундинская равнина), местами они вовсе отсутствуют. Лёссы - это молодые отложения четвертичной системы, возникшие в недавнее геологическое время (не более 1,5 млн. лет тому назад), а в определенных физико-географических условиях они могут образовываться прямо на глазах человека, например, в результате пыльных бурь. По условиям залегания лёссы повсеместно располагаются в виде покровов (то есть не перекрыты другими отложениями). Мощности лёссовых пород колеблются от нескольких сантиметров до десятков и даже сотен метров. В северных районах, где лёссовые отложения развиты лишь на отдельных участках, их мощность составляет 5-10м, а в районах сплошного распространения (на юге Украины, Северном Кавказе) она повышается до 30-50м и более. Самые мощные разрезы лёссовых пород (до 100-200м) обнаружены в межгорных впадинах на территории Средней Азии.
Лессовый рельеф Для областей развития лессов характерен специфический западинный («оспенный») рельеф наложенного типа, возникающий благодаря процессам просадочного и суффозионно-карстового характера (воронки, просадочные блюдца, линейные депрессии). Особенно часто такое явление наблюдается в областях с засушливым климатом, где лессы и лессовидные породы содержат водорастворимые соли. Движущаяся в них вода производит работу двоякого рода: с одной стороны, она выщелачивает и уносит растворимые соли, с другой – производит механический вынос мельчайших частиц породы. В результате этого процесса происходит разрыхление породы, образование пустот, вызывающее оседание вышележащей толщи и образование на поверхности земли различных просадочных западин. Это типичные суффозионные блюдца и воронки. Площади распространения лессов большой мощности отличаются своеобразным рельефом. На этой территории распространены различные типы грядового и увалисто-грядового рельефа и плато с плоской или полого-волнистой поверхностью. Для всех районов характерна: 1) значительная изрезанность оврагами, которые нередко перепиливают гребни увалов и гряд; 2) наличие многих промоин, рытвин, ложбин периодического стока. Местами изрезанность настолько велика, что образуются так называемые «дурные земли» (бедленд); наличие разнообразных просадочных форм в виде чаш. Мощность лёссов колеблется от нескольких до 100 м и более. Особенно большие мощности отмечаются в Китае, образование которых некоторыми исследователями предполагается за счет выноса пылевого материала из пустынь Центральной Азии. В пределах грядового и увалисто-грядового рельефа, в указанных районах была подмечена интересная закономерность распределения оврагов, а именно: их одинаковое плановое расположение и выдерживающееся направление. При этом направление оврагов одного склона долины точно соответствует направлению на другом склоне. Такая выдержанность направлений как отрицательных форм (оврагов) так и положительных (гряд и увалов между оврагами) указывает на определенные закономерности формирования лессового рельефа. Ряд исследователей приводят доказательства в пользу того, что первичный грядовый и увалисто-грядовый рельеф был создан эоловыми процессами при определенной циркуляции атмосферы. Густая же сеть оврагов и их направленность оказались подчиненными первичному эоловому рельефу. Размыв, или эррозия, поверхностными водами сосредоточивалась в первичных понижениях (между увалами и грядами), созданных ветром, и, углубляя их, вызывала значительно большую контрастность рельефа. Следовательно, лессовый рельеф на площадях с мощным развитием лессов формировался главным образом под влиянием двух процессов – эолового и эрозионного. Местами, где эрозия очень интенсивна, овраги ветвятся и выходят за пределы межгрядовых понижений, гряды и увалы сильно расчленяются на более мелкие часто бесформенные участки. Глава 5. ПРИРОДА ПРОСАДОЧНОСТИ ЛЁССОВЫХ ПОРОД До сих пор нет единого мнения о природе просадочности лёссовых пород. Различные исследователи выдвигали достаточно много предположений и гипотез по поводу возникновения этого специфического и неотъемлемого свойства лёссов. Анализ существующих мнений показывает, что все гипотезы, объясняющие просадочность лёссовых пород, можно разделить на две группы. В первой группе просадочность лёссов рассматривается как их первичное свойство, то есть когда просадочность формируется непосредственно в ходе накопления и начальной стадии преобразования минерального пылеватого осадка. Одну из причин возникновения просадочности Н.Я. Денисов (1953) видел в формировании недоуплотненных лёссовых толщ, вследствие захоронения рыхлой, сцементированной легкорастворимыми веществами, массы пылеватых частиц под постепенно накапливаемыми слоями вышележащих пород. Слабыми местами этой гипотезы было то, что она не могла объяснить сохранение просадочных свойств в течение длительного времени, не давала объяснений фактам увеличения просадочности под горизонтами погребенных почв и скачкообразному изменению просадочности лёссовых пород по разрезу каждого накопленного слоя. Гипотезы второй группы характеризуют просадочность как новообразованное свойство породы, то есть когда просадочность приобретается после накопления пылеватого осадка. Наибольшее распространение здесь получила гипотеза мерзлотного выветривания. По мнению исследователей формирование просадочности происходит в результате циклического сезонного промерзания-оттаивания исходных пылеватых пород и удаления из них льда посредством сублимации (испарения льда минуя жидкое состояние). В ходе промерзания поровая вода превращается в лед, разуплотняет породу и способствует дроблению более крупных песчаных зерен до размера пылеватых частиц. Данная гипотеза формирования просадочности подтверждается лабораторным и натурным моделированием. Она хорошо объясняет распространение и характер залегания лёссов в пространстве и разрезе, скачкообразное изменение просадочности лёссовых пород по разрезу, увеличение просадочности под горизонтами погребенных почв, появление просадочности в условиях сурового климата плейстоценовой эпохи развития Земли (приблизительно от 10 до 800 тысяч лет тому назад) - периода времени, когда наблюдалось наиболее интенсивное накопление лёссовых толщ. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОСАДОК Под влиянием внутренних и внешних факторов просадочные деформации протекают следующим образом. По активным порам и трещинам в лессовую породу проникает вода, ослабляющая и разрушающая ионно-электрические и другие слабые структурные связи. При этом резко уменьшается капиллярное давление, что также ведет к уменьшению сцепления между частицами. Одновременно происходит бурное разрушение невожостойких мезо- и макроагрегатов, составляющих основу неводостойкой системы лессового грунта. В нем сохраняются глобулы, пылевато-песчаные частицы и водостойкие макроагрегаты. Воздействие гидростатических сил активизирует свободный поровый воздух. Он приходит в движение, усиливая разрушение агрегативной системы грунта.
Ослабляются и исчезают кристаллизационные связи за счет цементации легко растворимыми, а в дальнейшем и среднерастворимыми солями. В случае наличия фильтрационного тока воды возникает процесс выщелачивания. Приложенная внешняя нагрузка вызывает общее уплотнение породы. В ходе увлажнения лессовой породы в процессе гидратации глинистой составляющей происходит набухание последней, снижающей эффект уплотнения. Взаимодействие двух факторов – набухания и просадки – в различных разновидностях лессовых грунтов приводит к различным результатам. Широко известен тот факт, что при замачивании лессовых грунтов в первые минуты происходит некоторое увеличение пористости, т.е. набухание, и только потм начинается просадка. Часто при замачивании лессовых пород верхних частей разреза, испытывающих незначительное природное давление, происходит их набухание, а при дополнительных нагрузках грунты проявляют просадочные свойства. При длительном замачивании грунта под нагрузкой развиваются дальнейшие изменения структуры: распад части водостойких макроагрегатов, дополнительные перестройки структуры, растворение и вынос среднерастворимых солей.
Таким образом, просадка является сложным многофакторным процессом перестройки структуры лессовой породы, протекающим в результате взаимодействия внешних и внутренних факторов и развивающимся во времени. Глава 6. инженерно-геологические процессы при антропогенном воздействии на лессовые массивы Лессовые массивы занимают покровное положение, венчая четвертичный комплекс отложений. Это определяет их особую роль в развитии геодинамических процессов и явлений. Все большее значение приобретают техногенные (антропогенные) процессы, возникающие в результате производственно-бытовой деятельности людей. Антропогенное выветривание. Антропогенное выветривание лессовых массивов происходит под действием четырех главных факторов: 1) увлажнения пород; 2) уплотнение пород под весом сооружений; 3) химическая переработка; 4) разуплотнение в ходе производства различных работ. Обводнение лессовых массивов происходит при утечках воды из водоводов и канализации, создании искусственных водохранилищ и оросительных систем, строительстве дорожных выемок, при предпостроечном замачивании оснований и кюветов и в ряде других случаев. Кроме этого, режим влажности лессовых массивов нарушается при распашке полей, асфальтировании поверхности, массовой застройке, проходке траншей, возведении отвалов. При оценке антропогенного увлажнения необходимо учитывать следующие факторы: 1) характер его во времени – краткосрочный (менее нескольких суток), долгосрочный (недели, месяцы), постоянный (годы) и неопределенный; 2) величину напора – безнапорное, низконапорное (В лессах с зернисто-пленчатой структурой и высокой активной пористостью при определенных условиях возможно возникновение длительной инфильтрации воды (из каналов, на участках постоянных течей водоводов). В таких случаях возникают вынос водорастворимых солей и глубокие структурные изменения. Так 1,5 месячная инфильтрация через лессовые породы на участке Дунайско-Днестровской оросительной системы привела к разрушению структурных связей и потере пластической прочности в 7-10 раз. При просачивании растворов NaCl падение прочности составило 128-кратную величину. При поступлении в лессовые породы различных химических элементов и соединений, содержащихся в технических стоках, водных растворах минеральных удобрений или ядохимикатов, веществах вводимых при технической мелиорации грунтов, возникают изменения химико-минерального состава пород. В ряде случаев формируется принципиально новая порода с прочными кристаллизационными связями. При этом могут образовываться новые минералы. Процесс минералообразования зачастую сопровождается значительным увеличением объема горных пород и разрушению технических сооружений. Наибольшие изменения в лессовых породах происходят при просадочных деформациях. В ходе последних изменяется структура, происходит общее уплотнение и в некоторых случаях изменение химико-минерального состава пород. Просадочность Этот вид процессов является главной особенностью лессовых массивов. Первые описания просадок лессов сделаны в начале ХХ века Штукенбергом. В конце 20-х и начале 30-х годов в связи с развертыванием широкого гидромелиоративного строительства обнаружились просадочные деформации магистральных каналов на Северном Кавказе и в Средней Азии. Примерно в это же время обнаружились просадки сооружений, вызванных увлажнением лессовых оснований. Просадочные явления делятся на три группы: 1) собственно просадки (естественные) – деформации поверхности лессовых массивов при увлажнении под действием собственной массы грунтовой толщи; 2) дополнительные осадки сооружений, вызываемые замачиванием лессовых оснований в условиях напряженного состояния массива под сооружениями; 3) просадки на каналах, полях орошения, различных водоемах. В последнем случае происходит интенсивное увлажнение массива под воздействием собственной массы и столба воды. В результате просадок на поверхности лессовых массивов образуются своеобразные микро- и мезорельефные формы: а) степные блюдца, б) долы и поды. Степные блюдца (западины) чаще всего округлой формы. Среди них различаются: малые (диаметром 3-30м, при глубине 0,5-1,5м), крупные (диаметром более 30м, при глубине 1,5-5м). Долы и поды достигают длины от 80 до 400м и более. Они нередко представляют собой 2-5 слившихся блюдец. Весьма своеобразные просадочные деформации возникают в лессовых массивах вокруг водоемов и вдоль каналов. К таким просадкам относится образование террасовидных ступенчатых депрессий вдоль каналов и вокруг водохранилищ, возникновение на дневной поверхности трещин, ширина которых колеблется от 1 до 20см и более. В районах развития лессовых пород построено более 80% от общего числа оросительных систем. Их кажущаяся однородность нарушается неравномерным распределением по разрезу погребенных почв, изменением содержания и состава солей, характера пористости. Все это обусловливает величины просадочных и послепросадочных (в основном суффозионных) деформаций, водонепроницаемости, определяющей способность пород к переносу ингредиентов загрязнения, размываемости и т.д. Свойства лессовых пород определяют весьма частую и значительную дефектность и аварийность гидромелиоративных сооружений. По данным исследователей за первые пять лет на орошаемой площади около 3 млн.га, за первые пять лет эксплуатации на слабопросадочных породах разрушено до 3% сооружений, требуют ремонта более 20%, капитального ремонта требуют более 4%. На средне- и сильнопросадочных породах разрушено более 10% сооружений, требуют капитального ремонта более 35% сооружений.
В процессе эксплуатации гидромелиоративных сооружений наиболее значительные просадочные явления наблюдались в тех районах, где грунтовые воды залегали достаточно глубоко (более 8-10м). Величины просадок могут колебаться от 0,5м до 2м и более. Вдоль каналов наблюдается образование воронок и трещин. Просадочные деформации могут захватывать даже глубокозалегающие горизонты (до глубины 25м и более). Интенсивное орошение межканальных поверхностей лессовых массивов приводит к таким явлениям как повышение уровня канолов за счет общего проседания межканальных территрий. Превышение поверхности каналов над дном межканальных «чаш» может достигать 4-6м.
Значительную роль в образовании просадочных явлений при эксплуатации постоянных и периодических каналов для орошения в южных регионах приобретает наличие крупных мегапор образованных роющими животными и насекомыми. Испещренные многочисленными ходами термитов грунты на значительной площади имели пористость превышающую 80%. Просадки на таких лессовых породах при обводнении измерялись несколькими метрами, что зачастую приводило к серьезным авариям на гидротехнических сооружениях. На территориях где такие животные и насекомые отсутствовали величина просадки могла достигать 0,5-1м. Поэтому строительство каналов обычно осуществляется в два этапа: 1) подготовка участка канала протяженностью 100Х200м и его замачивание; 2) после просадки окончательное проектное строительство канала и сооружений. Лессовый псевдокарст и плывуны В определенных условиях в лессовых массивах могут развиваться суффозионные процессы. Особенно предрасположены к ним лессы, имеющие зернисто-пленчатую структуру и обладающие высокой активной пористостью. В случае если в лессах имеются депрессии с крутыми обрывистыми берегами (овражно-балочные системы, террасовые уступы речных долин, карьеры, глубоко врезанные каналы и др.), то возможно развитие лессового суффозионного псевдокарста. Для этого необходимо, чтобы в лессовом массиве имелись исходные «водоводы», в которых возможно турбулентное движение потока. К ним относятся пустоты в лессовых толщах, образовавшиеся при вытаивании пластов и жил льда, кротовины и крупные пустоты от корней растений, просадочные трещины образовавшиеся вдоль каналов и водохранилищ, трещины оседания и оползневые у краевых частей уступов и берегов водохранилищ, искусственные выемки в краевых частях лессовых массивов (канавы, траншеи, шурфы, редко действующие каналы и т.д.). Лессовый карст зарегистрирован во многих лессовых областях: на Северном Кавказе, в Средней Азии, на Украине и в некоторых других районах. Псевдокарстовая зона обычно располагается вдоль депрессий на расстоянии от 20 до 50м. Наибольшая зарегистрированная ширина этой зоны – 160м. Все разнообразие форм лессового псевдокарста можно разделить на три группы: поверхностные, глубинные и скрытые. К поверхностным формам относятся различные воронки и прогибы Воронки обычно имеют округлую форму. Их диаметр редко превышает 3-5м при глубине 2-4м. Нередко они располагаются по хорошо фиксируемым линиям. Иногда отмечаются случаи формирования вдоль них карстово-эрозионных оврагов. По происхождению воронки могут быть суффозионно-эрозионными и провальными. Последние образуются при провалах поверхности над глубинными псевдокарстовыми формами. Иногда могут встречаться более крупные замкнутые депрессии, образующиеся в результате прогиба поверхности над глубинными формами псевдокарста. Глубинные формы – карстовые трубы, колодцы и шахты отличаются своими размерами (от долей метра до 1-2м). К этому типу относятся также поноры, берущие начало в донных частях воронок, гидромелиоративных каналов, подземные трубы и каналы. Вдоль этих подземных форм развиваются пещеры. Они могут встречаться как внутри лессовых массивов, так и на краевых уступах рельефа (обрывах, откосах искусственных выемок и т.д.). Высота пещер колеблется от 0,5 до 4м, протяженность их невелика и не превосходит 3-6м. Исследования лессового псевдокарста на Северном Кавказе показали, что он формируется в лессовых породах, обладающих зернисто-пленчатой структурой, высокой активной пористостью (более15-18%) и естественной влажностью менее 15%. В лессовых породах с агрегативной структурой псевдокарстовые процессы обычно не развиваются. Особенно интенсивно идет развитие псевдокарста в тех случаях, когда лессовая толща подстилается хорошо фильтрующимися породами (крупнозернистыми песками, галечниками, песчано-гравийными породами). Такое строение лессовых массивов особенно характерно для Средней Азии. Установлена зависимость формы псевдокарста от глубины базиса эрозии. Если она значительна, то могут образовываться колодцы и шахты. В Киргизии в районе Южного Большого Чуйского канала карст распространен в лессовых пролювиальных конусах и массивах лесса вдоль канала. Встречаются все основные карстовые проявления. Высота пещер в этом районе достигает 2-3м. Они имеют неправильные очертания и обычно вытянуты вдоль вертикальной оси. Развиты многочисленные скрытые подземные полости и трубы, выходящие в бортах эрозионных врезов. Глубина развития псевдокарста колеблется от 0,5 до 20м. При вскрытии строительных котлованов в районе г.Красноярска обнаружены в лессовых толщах закрытые псевдокарстовые формы на глубинах от 1 до 9м. Размеры этих полостей колебались от нескольких сантиметров до 1м и более. Предполагается, что их образование связано с вытаиванием различных по форме ледяных тел. Одним из достаточно серьезных факторов влияющих на активное развитие суффозионных процессов является постоянное и значительное просачивание воды и водных растворов различных соединений (удобрения, пестициды) из ирригационных каналов в зонах развития благоприятных для этого процесса циклически построенных толщ лессов. В особенности, когда в разрезе залегают несколько горизонтов крупнозернистых песков или галечников. Как указывалось выше, такие разрезы лессовых массивов характерны для южных предгорных районов развития лессов. На этих же территориях, в основном, расположены старые, глубоко врезанные ирригационные каналы. Их днище порой расположено ниже основной поверхности лессовых массивов на 10-15м, что еще более усиливает суффозионные процессы. Суффозия – очень сложный процесс, который до настоящего времени остается недостаточно изученным. Обычно его развитие предполагается в лессах со значительным содержанием легкорастворимых в воде солей и минералов. В то же время отмечены многочисленные случаи когда суффозионные и просадочные явления интенсивно развивались в лессовых породах с весьма незначительным содержанием таких солей и минералов. Следовательно, необходимо привлекать другие механизмы для объяснения таких явлений. Наиболее вероятен или в значительной мере доминирует механизм разрушения глобулярной структуры лессов и вынос мелких частиц водным потоком. Постоянная или периодическая утечка воды из каналов насыщает грунт водой уменьшая его прочностные свойства и активизирует развитие псевдокарста, который в свою очередь может спровоцировать активизацию таких процессов как обвалы и оползни. Описан случай, когда строительство траншеи и автодороги вдоль бровки берега водохранилища на лессовых грунтах спровоцировало образование оползня объемом 1,3млн.м3.
Плывуны Переход лессовых пород в плывунное состояние пока изучен недостаточно, хотя это явление хорошо известно на мелиоративных системах и при вскрытии выработок в водонасыщенных лессовых грунтах. Наиболее предрасположены к переходу в плывунное состояние лессовые породы, имеющие зернисто-пленчатую, пылевато-пленчатую и в меньшей степени зернисто-агрегативную структуру. При увеличении содержания воднорастворимых соединений и органического вещества в породе способность к оплыванию лессов возрастает.
Плывуны в лессовых массивах наблюдаются в двух случаях: 1. при вскрытии шурфов, строительстве котлованов и других выемок ниже уровня подземных вод; 2. в неукрепленных и увлажненных откосах каналов, берегах водохранилищ и других аналогичных случаях. Подобные процессы наносят особенно ощутимый ущерб водно-мелиоративным системам с открытой сетью каналов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенный в настоящей работе анализ лессов и лессовидных пород, их изменений под воздействием воды и водных растворов позволяет сделать следующие выводы: 1. Лессы и лессовидные породы являются весьма сложными горными породами; 2. Не смотря на длительную историю их изучения, до настоящего времени не существует обобщающей теории их происхождения, которая охватила бы все типы лессовых пород и объяснила возможность залегания лессов на водоразделах, у подножья горных систем и на высоко поднятых плоскогорьях; 3. Сложные физические и гидрохимические процессы происходящие в лессовых массивах при просачивании водных растворов их ирригационных каналов и водохранилищ весьма трудно прогнозировать на длительный период времени как вследствие сложной внутренней агрегативной структуры лессов, так и сложности строения разреза лессовых отложений. 4. Огромные территории занятые лессовыми массивами интенсивно осваиваются в процессе деятельности человека, и это заставляет искать способы борьбы с негативными явлениями, такими как просадки, суффозия, вспучивание, плывуны, обвалы и оползни. 5. Основное влияние на лессовые породы оказывает интенсивное поступление воды и водных растворов в лессовые массивы. 6. Следовательно для уменьшения негативных процессов необходимы профилактические мероприятия ликвидирующие или по крайней мере значительно снижающие поступление воды в лессовые грунты. ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Геологический словарь. Т. 1, М., «Недра», 1978. 2. Горшков Г.П., Якушова А.Ф. Общая геология. Изд-во Московского университета, 1973. 3. Криволуцкий А.Е. Рельеф и недра земли. М., «Мысль», 1977. 4. Лессовые породы СССР. В двух томах. Под ред. Е.М.Сергеева, А.К.Ларионова, Н.Н.Комиссаровой. М., «Недра», 1986. 5. Плотников Н.И. Техногенные изменения гидрогеологических условий. М., «Недра», 1989. 6. Гидрогеология СССР. Вып.4. Влияние производственной деятельности человека на гидрогеологические и инженерно-геологические условия. М., «Недра», 1973. 7. Четырехъязычный энциклопедический словарь терминов по физической географии. Ред. проф. А.И.Спиридонова, Изд-во «Советская энциклопедия», Москва, 1980.