Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическая эффективность применения геокомпозиционных экранов при восстановлении ландшафтов, нарушенных горнодобывающей деятельностью

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая эффективность применения геокомпозиционных экранов при восстановлении ландшафтов, нарушенных горнодобывающей деятельностью"

На правах рукописи

Алексеев Антон Александрович

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОКОМПОЗИЦИОННЫХ ЭКРАНОВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЛАНДШАФТОВ, НАРУШЕННЫХ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ

Специальность 25.00.36 - "Геоэкология"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук

Москва 2005

Работа выполнена университете. Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты

Ведущая организация

в Московском государственном строительном

- кандидат технических наук, доцент Щербина Елена Витальевна

- доктор технических наук, кандидат геолого-минералогических наук, профессор Потапов Александр Дмитриевич

- доктор геолого-минералогических наук Кутепов Владимир Митрофанович

- кандидат технических наук Быковский Дмитрий Владимирович

- ООО Научно-исследовательский и Проектно-изыскательский институт Экологии города "НИиПИЭГ"

Защита диссертации состоится 02 июня 2005 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.138.07. при Московском государственном строительном университете по адресу:

129337 Москва, Ярославское шоссе, 26, МГСУ, Зал заседаний Ученого Совета (1 этаж административного здания)

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского Государственного Строительного Университета.

Автореферат разослан апреля 2005 г.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы: Геологическая среда, как литогенная основа природных ландшафтов, принципиально является одним из наиболее стабильных и консервативных условий, обычно наименее изменчивым в текущих темпоральных взаимодействиях и кругообороте веществ существующих геоэкосистем. Однако установлено, что изменения, вызванные воздействием горных работ, в силу их масштабности и широкого распространения, отрицательно сказываются на геоморфологических, биологических, эстетических характеристиках ландшафтов. Нарушения приводят к гибели или деградации растительного покрова, ухудшению качества, изменению структуры или потере плодородного почвенного слоя.

Именно открытой разработке месторождений, а в Московском регионе это карьеры песчаных грунтов, свойственны наиболее обширные ландшафтные нарушения.

Процессы естественного восстановления ландшафтов, особенно в условиях воздействия дополнительных техногенных нагрузок, протекают медленно или неэффективно. Лишенные растительного покрова и частично нарушенные обнажения породы подвергаются интенсивной воздушной и водной эрозии, на территории развиваются активные экзогенные геологические процессы. Борта котлованов разрушаются под воздействием эрозионно-склоновых процессов провоцируя, активный рост оврагов, приводящий к увеличению территории ландшафтных разрушений.

Экологическая реабилитация таких земель невозможна без разработки и реализации специальных мероприятий. Поэтому работа, направленная на изучение и разработку методов прогнозирования развития эрозионных процессов и рекультивации земель, нарушенных горными разработками, с целью обеспечения геоэкологической безопасности вторичных (природно-техногенных) ландшафтов, актуальна, содержит научную новизну и имеет большое практическое значение.

Цель работы - обеспечение геоэкологической безопасности ландшафтов, образовавшихся в результате добычи минеральных материалов, на основе прогноза

развития эрозионно-склоновых процессов и разработки эффективных конструктивных решений и способов применения геокомпозиционных экранов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. На основе анализа состояния проблемы выработать методологию исследований.

2. Провести подробный геоэкологический анализ состояния натурного объекта исследований и сопоставить полученные данные с обобщенными геоэкологическими условиями территории Московской области, для определения масштабов применения разработанных решений.

3. Определить тип материала матрицы геокомпозиционных противоэрозионных экранов с учетом сложности и специфики геологических, климатических и биоценотических условий. Сформулировать основные требования, которым он должны отвечать.

4. Разработать математическую модель критического развития эрозионных процессов на склонах, сложенных песчаными грунтами техногенного происхождения.

5. Обосновать методики расчета устойчивости геокомпозиционных экранов.

6. Разработать программу и реализовать крупномасштабный натурный эксперимент, для обоснования результатов теоретических исследований, включая проектное решение, технологический регламент и мониторинг на период строительства и эксплуатации геокомпозиционных экранов.

Объект исследований диссертационной работы - природно-техногенная система, образовавшиеся в результате горных работ (выработанный карьер песчано-гравийного материала). Предмет исследования - методы стабилизации грунтов бортов отработанных карьеров подверженных развитию эрозионных и склоновых процессов.

Рабочая гипотеза диссертации заключается в том, что применение геокомпозиционных экранов в конструкциях противоэрозионной защиты земель, нарушенных горнотехнической деятельностью, позволяет обеспечить геоэкологическую безопасность вновь созданных вторичных (природно-техногенных) ландшафтов и восстановить гомеостаз этих антропогенных экосистем.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что:

• Впервые на основе теоретических исследований и результатов крупномасштабного натурного эксперимента, выполненных лично автором, обоснован комплекс мероприятий, позволяющих обеспечить устойчивость функционирования природно-техногенных ландшафтов, образовавшихся в результате добычи минеральных природных материалов, подверженных активному развитию эрозионных процессов;

• Разработана математическая модель критического развития эрозионных процессов на антропогенной территории с отличными от природных условий геоморфологическими характеристиками (большие значения угла заложения откосов бортов карьера, нарушенная структура грунтового массива, нарушенный гидрологический режим и т.д.).

• Автором разработана и экспериментально обоснована конструкция геокомпозиционных противоэрозионных экранов и методика расчета устойчивости техногенных и природных склонов, защищенных геокомпозиционными экранами в условиях активного развития эрозионных процессов.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том,

что:

• Теоретически обоснованное, проверенное расчетами и натурным экспериментом решение, базирующееся на использовании геокомпозиционных экранов, с целью предотвращения эрозионных процессов на объектах со сложными геологическими, биологическими и климатическими условиями, позволяет обеспечить их геоэкологическую безопасность, а также существенно снижает сроки и материалоемкость строительства. Степень проработки этого решения позволяет рекомендовать его к непосредственному применению в практике проектирования и строительства;

• Разработанная и экспериментально обоснованная математическая модель, позволяющая выявить опасность развития эрозионных процессов на песчаных склонах, рекомендована к использованию в проектной и нормативной документации;

• Разработанная и экспериментально апробированная методика расчета устойчивости геокомпозиционных систем на склонах, является практически подготовленной для включения в нормативную документацию и практику проектирования систем инженерной защиты.

Решения, полученные в данной работе, были использованы при выполнении НИР работ Научно-производственного и Учебного Центра «Экогеос» на объектах Сорочаны, Сычево, ВНИИГАЗ и прошли согласование Госгортехнадзора России при капитальном ремонте магистрального трубопровода Тихорецк - Новоросийск.

Па защиту выносятся:

1. Математическая модель критического развития опасных эрозионных процессов на бортах отработанных карьеров и природных склонах, сложенных песчаными грунтами;

2. Методика расчета устойчивости геокомпозиционных систем противоэрозиошюй защиты земель, нарушенных горнотехнической деятельностью;

3. Результаты крупномасштабного натурного эксперимента, подтвердившие эффективность использования геоматов в геокомпозиционных противоэрозионных экранах, в сложных геоэкологических условиях.

Публикации: основное содержание диссертации отражено в 5 опубликованных работах.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции "Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах" (Архангельск, 2003); Российской научно-технической конференции "Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды" (Пермь, 2004); Научно-технической отчетной конференции-выставке по результатам реализации в 2004г. Межотраслевой программы научно-инновационного сотрудничества Министерства образования и науки РФ и Федерального Агентства Специального строительства РФ "Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве" (Москва, 2004); Научно-методических семинарах кафедры

Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ, аспирантском семинаре кафедры Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии, изложена на 132 страницах машинописного текста, включая 36 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 138 наименований, в том числе 17 на иностранном языке.

Введение содержит аргументы, подтверждающие актуальность темы диссертационной работы, обоснование постановки цели и задач исследования, показана научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В главе 1 выполнен анализ современного геоэкологического состояния территории Московской области и определено влияние добычи природных минеральных материалов на устойчивость сложившихся ландшафтов. Рассмотрены методы рекультивации нарушенных земель и сформулированы требования к материалу матрицы защитных геокомпозиционных экранов.

Современные ландшафты Московской области в том виде, как они существуют ныне, сформировались в результате последней климатической смены, которая произошла в центре Русской равнины в позднем голоцене, а также природного и антропогенного воздействия последних столетий. Литогенная основа этих ландшафтов формировалась на разных этапах четвертичного периода. Поэтому от момента обособления литогенной основы до наших дней, вследствие неоднократного существенного изменения климата, различные участки территории испытали разное число полных смен одних ландшафтов другими. Кроме того, преимущественно из-за антропогенного воздействия они испытали по одной или несколько неполных ландшафтных смен, при которых климатическая и тектоническая обстановка оставались неизменной.

Вопросам устойчивости ландшафтов к антропогенной нагрузке посвящены работы В.И. Осипова, В.М. Кутепова, A.C. Курбатовой, В.И. Сметанина, А.Д. Потапова, Ю. Одума, Б. Небела, анализ которых позволяет определить данную устойчивость как особый природный ресурс, своеобразную экологическую емкость, регламентирующую хозяйственную деятельность на данной территории.

Важнейшим компонентом ландшафтов и природы в целом являются почвы. Почвенный покров служит естественным базисом, на котором строится практически вся сельскохозяйственная деятельность, поставляющая населению основную массу продовольствия и значительную часть технического сырья для промышленности. С деградации почвы начинается деградация ландшафта и всего живущего в нем.

Неблагоприятное воздействие на почвенный покров оказывает эрозия почв, которая заключается в разрушении и сносе почвы и подстилающих пород потоками воды или ветра, что приводит к нарушению экологического равновесия. На основе выполненного анализа современного геоэкологического состояния территории Московской области можно отметить, что процессы эрозии значительно активизировались. Одной из наиболее значимых причин, с точки зрения масштабов негативных последствий, является изменение рельефа и уничтожение растительного покрова при добыче полезных ископаемых открытым способом.

На территории Московской области осуществляют деятельность 199 недропользователей. Ежегодно из недр области добывается около 15 млн. м3 твердых полезных ископаемых, причем более 40% этого объема приходится на открытую разработку песчано-гравийных материалов. Нарушенные земли подлежат восстановлению и рекультивации.

Проблемам борьбы с эрозионными процессами посвящены работы Н.И. Маккавеева, P.C. Чалова, Л.Н. Каштанова, Г.И. Швебса, П.С. Трегубова, М.Н. Заславского, В.А Харченко, Н Гудзона. Анализ данных работ позволяет выделить биологический и горнотехнический этапы рекультивации, позволяющие создать на биологически неактивных породах плодородного слоя почвы и растительности. Вследствие большой протяженности и крутизны бортов отработанных карьеров (50 м, угол заложения более 30°) и короткого вегетационного периода растительный покров не успевает сформироваться и плодородный грунт смывается с поверхности, что приводит к активному развитию эрозионно-склоновых процессов.

Таким образом, для эффективного проведения рекультивации на подобных объектах необходима разработка новых эффективных решений агротехнического и инженерно-технического характера, с целью защиты земной поверхности от водной эрозии.

Инженерно-технические приемы позволяют обеспечить неразмываемость защищенной поверхности и устойчивое закрепление плодородного грунта и семян в начальный вегетационный период. В основе каждого из них лежит применение бетонных элементов, каменной наброски, деревянной обрешетки, габионных конструкций, геосинтетических материалов. На основе анализа и обобщения положительных и отрицательных аспектов каждого из приемов инженерно-технической защиты определены необходимые требования к противоэрозионным материалам, лежащим в основе геокомпозитов.

1. объемная трехмерная структура для эффективного сцепления с грунтом;

2. водопроницаемость;

3. сплошность по всей защищаемой поверхности для равномерного закрепления грунта;

4. толщина не должна превышать длины корней растений;

5. высокопористая структура, позволяющая занимать минимально-возможный объем от общего объема геокомпазиционного экрана;

6. достаточная гибкость;

Выполненные исследования показали, что сформулированным требованиям наиболее полно отвечают противоэрозионные маты. На сегодняшний день существует большое количество различных геоматов, таких как Полимат, Сикумат, Инкамат, Робалон, МакМат, Енкамат и др. Эти материалы отличаются структурой и исходным полимером, из которого они изготовлены.

Принимая во внимание условия устойчивости материалов к воздействию отрицательных температур и ультрафиолетовому излучению, характерных для территории Московской области, а также толщину нитей геоматов, которая должна быть сопоставима с размером корневой системы растений, для материала матрицы геокомпозиционных экранов выбраны геоматы Енкамат.

Енкамат - трехмерный противоэрозионный геомат, состоящий из полиамидных монофиламентов толщиной 0.5мм. Его структура имитирует корневую систему трав. Пористость Енкамата составляет 95%; толщина - 10мм (Енкамат 7010), 18мм (Енкамат 7018); прочность на растяжение - 1.8кН/м (Енкамат 7010), 1.9кН/м (Енкамат 7018).

Глава 2 посвящена характеристике объекта исследования и разработке комплекса мероприятий, необходимых для рекультивации и восстановления сложившегося ландшафта.

Изучение геоэкологического состояния территории объекта выполнено на основании архивных материалов, данных гидрометеорологической станции "Дмитров" и результатов собственных исследований автора.

Объектом натурных исследований диссертационной работы был определен отработанный карьер песчано-гравийной смеси (ПГС) "Гурбан", который разрабатывался в период с 1982 по 2000 год, площадью около 80 га, расположенный в Дмитровском районе Московской области в 2 км восточнее н.п. Икша и в 1.8 км от канала им. Москвы.

В мае 2003 г., карьер представлял собой глубокую выемку с водоемом в южной части. Высота бортов карьера до 31 м, на них отмечено наличие обширных участков с активно развивающимися эрозионно-склоновыми процессами - в первую очередь в северной части карьера, которые определены как "аварийные борта". Растительность и почвенный покров на территории карьера практически отсутствуют.

Проектом рекультивации карьера предусмотрено создание на его территории рекреационной зоны, с организацией многофункционального спортивного комплекса. Предполагаемые градостроительным обоснованием мероприятия, учитывая ландшафтно-пространственную неоднородность данного места, должны обеспечить сохранение разнообразных пейзажных характеров ландшафта территории и комфортность проживания.

Анализ геоэкологических условий объекта, формирующих, в частности, инженерно-геологические условия изучаемой территории, осуществлялся путем выделения уровней исследований в виде инженерно-геологических участков и "подучастков". Инженерно-геологические участки, нами выделялись на основании особенностей инженерно-геологического строения сжимаемой толщи и объединяли территорию, в пределах которой состав сжимаемой толщи формирует определенные стратиграфо-генетические комплексы отложений.

В результате анализа, в пределах изученной площади расположения аварийных склонов, выделены:

Участок А. Располагается над исследуемыми бортами в северной части карьера.

Участок Б. Располагается у подножья исследуемых бортов, занимая дно выработанного карьера.

Согласно описанию инженерно-геологических выработок и инженерно-геологическим разрезам в геологическом строении сверху вниз выделяются:

• Верхнечетвертичные покровные отложения (ргрт) залегают с поверхности и представлены серо-коричневыми пылеватыми, трещиноватыми суглинками полутвердой консистенции, опесчаненными к подошве.

• Среднечетвертичные флювиогляциальные отложения (^ц) подстилают покровные отложения и представлены желто-серыми и серыми песками по преимуществу средней крупности, маловлажными.

Анализ общей устойчивости бортов карьера показал, что борта находятся в устойчивом состоянии, поскольку коэффициент надежности находится в пределах от 1.157 до 1.292. А согласно СНиП 2.01.15-90 (Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения проектирования), коэффициент надежности для подобных объектов равен 1.1.

Анализ эрозионных процессов, развивающихся на поверхности склонов, показал, что наряду с действием мелких потоков, образующихся в результате дождя, выпадающего непосредственно на поверхность самих склонов, большее влияние на их развитие оказывает действие крупных потоков, образующихся за счет поверхностного стока, формирующегося непосредственно над бортами. На исследуемом участке их площадь превышает площадь самих бортов в десятки раз. Кроме этого, на поверхности участков, лежащих над бортами залегают суглинки, с низким коэффициентом фильтрации. Поэтому практически весь поверхностный сток приходится на борта. В результате образуются мощные потоки, действие которых, в свою очередь, ведет к интенсивному оврагообразоваиию на поверхности незащищенных бортов карьера. На северных бортах объекта выявлено наличие семи растущих оврагов.

Анализ результатов инженерно-геологических изысканий, данных визуального обследования, выполненного автором в 2003 году, и исследований гранулометрического состава конусов выносов показал, что состояние северных склонов карьера характеризуется как аварийное с наиболее ярко выраженными процессами эрозии. Следует отметить, что строение и структура этих склонов является характерной для ландшафтов территории Московской области. Это позволяет рассматривать данный объект как аналоговый для выполнения разделов ОВОС, разработки проектов рекультивации и инженерной защиты.

Для предотвращения развития эрозионных процессов на аварийных бортах карьера был разработан следующий комплекс мероприятий.

Инженерно-технические мероприятия предусматривали сбор и организацию поверхностного стока и укрепление поверхности бортов и русел существующих оврагов с помощью специальных геокомпозиционных экранов.

Поверхностный сток перехватывался нагорной канавой и сбрасывался в русла оврагов, развивающихся на бортах карьера, что позволило максимально сохранить существующий рельеф и снизить объем планировочных работ.

Для закрепления бортов и русел оврагов от развития эрозионно-склоновых процессов были разработаны два варианта геокомпозиционных экранов:

1. Легкий - для закрепления бортов оврагов;

2. Утяжеленный - для русел оврагов и нагорной канавы.

Принципиальная конструкция противоэрозионных экранов представляет гекомпозиционную систему, состоящую их природных минеральных и геосинтетических материалов.

Агротехнические мероприятия предусматривали воссоздание растительного покрова. Для этого был проведен анализ почв и определены наиболее эффективные виды растений и трав, посев которых осуществлялся на заключительном этапе технической рекультивации.

Глава 3 посвящена разработке математической модели, позволяющей прогнозировать опасность развития эрозионных процессов, а также методики расчета устойчивости геокомпозиционных экранов.

Проблеме прогноза развития эрозионных процессов посвящены исследования целого ряда авторов (H.H. Павловского, В.Н. Гончарова, B.C. Кнороза, Ц.Е. Мирцхулава, B.C. Боровкова, B.C. Надирашвили). Среди них в практике прогноза развития эрозионных процессов используются обобщенные эмпирические данные, полученные Н.И. Маккавеевым и Б.Н. Любимовым, позволяющие провести количественную оценку подверженных оврагообразованию природных ландшафтов равнинной территории Европейской части Российской Федерации, а также зависимость Ф. Хюльстрема, полученная на основе экспериментальных исследований. Сопоставление и анализ вышеупомянутых эмпирических данных и зависимостей показывает, что они имеют некоторые расхождения, что может быть объяснено различием определяющих их геоэкологических условий (геологических, геоморфологических и гидрометеорологических) при сопоставлении различных территорий, подверженных эрозии. Результаты этих исследований позволяют прогнозировать эрозионные процессы на территориях природных ландшафтов с малыми уклонами. В связи с этим автором была поставлена задача разработать модель, которая применима для техногенных склонов большой крутизны.

Модель базируется на схеме (методе) расчета средних скоростей руслового потока, соответствующих условиям "кризиса" устойчивости зерен на дне потока, в результате силовых воздействий, возникающих при их обтекании.

Поток оказывает на зерна продольные (сдвигающие) и подъемные усилия. Моменты этих сил в виде их произведений на "плечи", определяемые размером зерен, оказываются достаточными для "кризиса" устойчивости, если их сумма окажется равна или больше момента, создаваемого весом срываемого зерна.

Возникшие в потоке усилия определяются весом зерен грунта и местной скоростью обтекания. Переход от местных скоростей к средней скорости плоского потока по уравнению профиля продольных скоростей позволяет установить скоростные критерии устойчивости "зернистого" русла в следующем виде:

(1)

где Vh - несдвигающая скорость, Vc - срывающая скорость, Я - высота потока (для плоского потока H = R, R - гидравлический радиус потока), k - диаметр зерен, (О

у^ьШ.-ипг,,

гидравлическая крупность зерен при стандартном (турбулентном) режиме обтекания.

Из равенства веса зерен в воде и сопротивлений следует, что в турбулентной области гидравлическая кпуттностъ оттпеттеттяется зависимостью (по Гончарову В.Н.):

где g- ускорение свободного падения, учг~ плотность частиц грунта, у,- плотность воды.

Данная расчетная зависимость необходима для определения критических скоростей русловых потоков. Она не учитывает особенностей развития эрозионных процессов на склонах антропогенного происхождения. Поэтому для определения критических скоростей потоков на склонах были приняты следующие предположения.

Тангенциальная составляющая силы тяжести, воздействующая на частицы грунта, зависят от крутизны русла. Чем больше уклон русла (#), тем меньше составляющая силы тяжести, направленная нормально к поверхности ложа потока, и тем меньше усилие, которое требуется для приведения частицы в состояние движения. В этом случаи уравнение (2) принимает следующий вид:

Уравнение (3) справедливо при

Глубина потока может быть меньше диаметра отдельных зерен грунта, вследствие этого взвешивающее действие воды будет различным для зерен, полностью и частично погруженных в воду.

Для того чтобы определить взвешивающее действие воды на частично погруженные зерна принято допущение, что зерна имеют форму шара. Это позволяет использовать безразмерные коэффициенты соотношения объемов подводной и надводной частей зерна, которые будут равны:

(2)

0 =

2%{у„ - у,)к(соза-¡та)

1.75 г.

(3)

(5)

Таким образом, при условии к<Я формулы (1) и (3) останутся неизменными, в противном случаи примут вид:

(6)

(7)

В соответствии с полученным решением критическая неразмывающая скорость зависит не только от крупности зерен грунта, но и от крутизны заложения склонов и расхода воды, поэтому на графике 3 (рис. 1.) показано несколько кривых, которым соответствуют и средние фактические скорости - график 4. Полученные теоретические данные подтверждены результатами натурных наблюдений. Важно отметить, что для крупных фракций (более 5 мм) значения фактических скоростей меньше, чем критические скорости по данным Ф. Хюльстрема и Н.И. Маккавеева, что должно свидетельствовать о невозможности развития эрозионных процессов.

Анализ гранулометрического состава конусов выноса показал, что частицы грунта крупностью более 5 мм составляют 12%, при этом частиц фракции более 10 мм -6.9%. Эти данные позволяют сделать вывод об обоснованности полученных в данной работе теоретических зависимостей и их применимости для прогноза развития эрозионных процессов на склонах, сложенных несвязными грунтами антропогенного происхождения.

100 50

30

Размер частиц, мм

Рис. 1. Зависимость между средними допускаемыми неразмывающими скоростями потока и

гранулометрическим составом грунтов. 1 - Зависимость, построенная по обобщенным эмпирическим данным, приведенным Н И.

Маккавеевым и Б П. Любимовым 2 - Зависимость, построенная по экспериментальным данным, приведенным Ф Хюльстремом 3 - Значение критических скоростей потока, полученные по зависимости, предложенной автором (для каждого оврага, в зависимости от крутизны (17° <, а < 30°) и расхода воды) 4 - Средняя фактическая скорость потока в оврагах, в зависимости от гидравлической шероховатости дна.

Необходимо отметить, что данная расчетная методика справедлива только для несвязанных, сыпучих грунтов. В связанных грунтах для срыва частиц следует учитывать дополнительные усилия на преодоление водно-коллоидных связей.

Для оценки статической устойчивости геокомпозиционного экрана разработана методика расчета, позволяющая определить шаг крепления и растягивающие усилия.

Оценка устойчивости геокомпозиционного экрана, может быть выполнена, согласно расчетной схеме приведенной на рис. 2, на основе теории предельного равновесия грунтов с учетом следующих предпосылок:

1. Общая устойчивость склона или откоса обеспечена.

2. Наиболее вероятная поверхность скольжения проходит на контакте геокомпозиционных экранов с подстилающим грунтом.

Тогда устойчивость с: ' печена, если выполняется условие:

Рис 2 Расчетная схема устойчивости гежомпозиционного экрана (противоэрозионный геомат + почва) на склонах (1 - плодородный слой, 2 - грунт основания 3 - противоэрозионный геомат)

Условие (8) может быть выполнено, только в случае, если угол заложения откоса, будет меньше угла трения контакта. В противном случае дефицит удерживающих сил должен быть компенсирован прочностью геосинтетического материала на растяжение - Р, кН/м, и сумма удерживающих сил может быть вычислена:

(9)

где: ^ - сила, возникающая за счет трения между грунтами; ^ - сила, возникающая за счет адгезии между грунтами; кг - коэффициент запаса.

где: Ра - сила, возникающая за счет собственного веса грунта.

Зная прочность материала на растяжение, можно вычислить шаг расстановки анкеров:

где: Й- толщина плодородного слоя; у- плотность плодородного слоя; а- угол заложения откоса; ф- угол контактного трения на границе грунта основания и плодородного грунта (определяется экспериментально).

Анализ формулы показывает, что при постоянном значении прочности материала на растяжение, шаг анкеров зависит от сил гравитации, которые определяются собственным весом грунта и геосинтетического материала, находящихся выше поверхности скольжения, и углом заложения откоса. При этом, чем больше эти силы и круче откос, тем меньше шаг анкеровки и больше усилия, передающиеся на анкер.

В главе 4 приведены программа, методика и данные выполненных натурных наблюдений. Определены значения фактических скоростей потоков, образовавшихся в период натурных наблюдений. Проведен анализ полученных данных с целью подтверждения выработанных теоретических положений и оценки эффективности принятого экспериментального решения по устройству противоэрозионной защиты.

Наблюдения проводились в соответствии разработанным календарным планом, который был рассчитан на срок 14 месяцев, с 25 августа 2003 г. по октябрь 2004 г. Из них 2 месяца - строительный период (25 августа - 17 октября 2003 г.), 12 месяцев - эксплуатационный период (17 октября 2003 г. - октябрь 2004 г.). Таким образом, время натурных наблюдений за процессами, протекающими на склонах, включало в себя полный годичный цикл, с периодом замерзания осень - зима 2003 г., периодом оттаивания зима - весна 2004 г., и весенне-летне-осенний период наиболее интенсивного выпадения атмосферных осадков.

Данные метеорологических наблюдений приняты по результатам измерений проводившихся на метеостанции "Дмитров" (индекс WM0: 27419). Географические координаты метеостанции: 56°22' с.ш., 37°32' в.д.

Обработка метеорологических данных позволила выявить дни (весенне-осенний период), в которые суточное количество атмосферных осадков превышало критические значения (т.е. было больше минимального значения количества атмосферных осадков, необходимого для образования поверхностного стока); период образования и уплотнения снежного покрова в зимний период; период интенсивного снеготаяния.

Наблюдения в строительный период показали, что 2, 5, 8, 9 сентября, 7, 8 октября на незащищенных участках продолжали интенсивно развиваться эрозионно-склоновые процессы. Скорость потоков в эти дни колебалась от 0.2 до 1.1 м/с. По мере того как на исследуемые склоны устанавливались противоэрозионные экраны эрозионно-склоновые процессы затухали и полностью прекращались.

Второй этап наблюдений (в процессе эксплуатации геокомпозиционных экранов), согласно календарному плану, был разбит на четыре периода. В первый период (с момента окончания работ до начала образования устойчивого снежного покрова) был зафиксирован только один день (4 ноября) когда образовался поверхностный сток со скоростью потоков до 0.22 м/с. При этом развития эрозионно-склоновых процессов на исследуемых участках не происходило.

Во второй период шел процесс образования, накопления и уплотнения снежного покрова, при этом эрозионные процессы приостановились. По мере накопления снежного покрова, возрастала нагрузка, влияющая на устойчивость геокомпозиционных экранов. Ее максимум был достигнут в конце периода, когда снежный покров уплотнился, а его величина достигла 50 см (27 февраля). Выполненный расчет дополнительных нагрузок показал, что снежный покров увеличил разность сдвигающих и удерживающих нагрузок на 0.31 кН/м т.е. более чем в 3 раза. И поскольку в период до начала образования снежного покрова растительность не проросла, вся дополнительная нагрузка перераспределилась на противоэрозионные маты.

В третий период была оценена устойчивость противоэрозионных геокомпозиционных экранов к водным потокам, возникающим в результате интенсивного снеготаяния в весенний период (8 - 28 марта). Скорость потоков в данный период колебалась от 0.57 до 1.55 м/с, что превышает значения критических

скоростей для слагающих склоны песчаных грунтов (рис. 1.). Данные факты получили подтверждение по результатам визуальных наблюдений, поскольку на склонах, незащищенных геокомпозиционными экранами, эрозионно-склоновые процессы активизировались. Вместе с тем на защищенных участках разрушения не выявлены. Однако в период образования наиболее интенсивных потоков (20 марта) произошел размыв поверхности конуса выноса расположенного при выходе из оврага № 1. При образовании промоины у нижней границы защитных экранов произошло обрушение грунта, находящегося под ними. В результате этого под матами образовалась полость, создавшая необходимые условия для развития эрозионных процессов, что привело к частичному обрушению укрепленной поверхности оврага №1 в его нижней части. С целью предотвращения дальнейшего разрушения противоэрозионной защиты в комплекс мероприятий были внесены дополнения: укрепление русла продлено до подножья конуса выноса, а нижний край геоматов был заглублен в грунт на 1 м. Это было сделано на тот случай, чтобы при возможном образовании новых промоин не происходило вымывание грунта из под противоэрозионных матов, влекущее обрушение геокомпозиционных экранов.

Четвертый период наблюдений (с момента завершения процесса весеннего снеготаяния и до окончания годичного цикла наблюдений) был охарактеризован частым образование поверхностного стока. Скорости потоков при этом колебались от 0.013 до 1.4 м/с. В эти дни в оврагах, защищенных геокомпозитами, развития эрозионно-склоновых процессов не наблюдалось. В тоже время на контрольных оврагах, незащищенных геокомпозитами и подверженных воздействию потоков той же интенсивности, что и защищенные, эрозионно-склоновые процессы активизировались. Это привело к росту контрольных оврагов более чем на 10 м в длину за период ведения наблюдений, причем в отдельные дни скорость их роста достигала нескольких метров в сутки (рис. 3). Кроме того, образовались промоины у нижних границ укрепленных геокомпозитами оврагов №3 и №4, в результате чего начались процессы, аналогичные тем, которые происходили в овраге №1 в период весеннего снеготаяния. Вследствие этого произошло частичное обрушение геокомпозиционных экранов в нижних частях оврагов №3 и №4, которые были

ликвидированы по схеме, реализованной ранее на овраге № 1 Разрушений на овраге №1 не о [мечено, что подтверждает правильность дополнительных мероприятий

Также под воздействием потоков частично был смыт верхний слой мелкого щебня, уложенного в русловой части оврагов и пропитанного битумной эмульсией При этом была смыта лишь та часть мелкого щебня, которая лежала над противоэрозионными матами и не бьпа зафиксирована в их структуре Щебень, зафиксированный в структуре противоэрозионных матов, вымыт не был, вследствие чего дальнейшего разрушения русловых частей оврагов не последовало

В данный период началось образование и развитие растительного покрова на защищенных геокомпозиционными экранами участках Вместе с тем, на склонах, незащищенных геокомпозиционными экранами, растительность, введу почти полного отсутствия тумуса в грунте, фактически полностью отсутствовала

Рис 3 Панорамный вид на северные склоны карьера в месте расположения оврагов № 1 - 3 Вторая половина июль 2004 г (фото)

По результатам годичною цикла натурных наблюдений можно заключить, что мероприятия по защите песчаных склонов карьера от эрозионных процессов, основанные на устройстве геокомпозиционных экранов в целом дали положительные результаты Было обеспечены условия для образования устойчивого растительного покрова на бортах оврагов, что в свою очередь привело к прекращению развития эрозионных процессов на их поверхности. Кроме того, была обеспечена эффективная защита и русловых частей оврагов. Данные наблюдений показали, что значения фактических средних скоростей потоков, воздействующих

на геокомпозиционные экраны, превышали 1.5 м/с, что сопоставимо со значениями скоростей водных потоков в горной местности. Вместе с тем, частичное обрушение геокомпозиционных экранов у подножья оврагов позволило выявить необходимую длину укрепления русел оврагов и определить узел крепления защитных экранов у их нижних границ.

Общие выводы

1. В условиях растущего антропогенного освоения территории Московской области, задача восстановления нарушенных земель становится все более актуальной и имеет практическое эколого-экономическое значение. Проведенное сопоставление результатов подробного геоэкологического анализа объекта исследований и земель, нарушенных при разработке месторождений полезных ископаемых, территории Московской области показывает, что данный объект и полученные решения могут быть использованы в качестве аналогов при восстановлении земель, нарушенных горными выработками.

2. В результате комплексного анализа геоэкологических условий, определяющих развитие негативных процессов, протекающих на землях, нарушенных горнотехнической деятельностью, автором выработан сбалансированный подход к принятию решения по способу рекультивации, основанный на новых методах инженерной защиты от эрозионно-склоновых процессов, включающих горнотехнический и биологический этапы, в наибольшей степени способствующий самовосстановлению экосистемы.

3. Автором разработана и апробирована на реальном объекте математическая модель, которая в отличие от зависимостей Н.И. Маккавеева и Ф. Хюльстрема, позволяет прогнозировать критическое развитие эрозионных процессов на антропогенных территориях с учетом угла заложения бортов карьера, нарушенной структуры грунтового массива и нарушенного гидрологического режима.

4. Разработана конструкция противоэрозионных геокомпозиционных экранов, состоящих из геосинтетического материала матрицы, минерального наполнитель и биотических компонентов. Применение этих геокомпозиционных экранов

позволяет совместить инженерно-технические и биологические методы защиты земной поверхности от эрозии, и тем самым повысить эффективность решений.

5. Сформулированы основные требования и определен тип материала матрицы геокомпозиционных экранов с учетом сложности и специфики геологических, климатических и биоценотических условий. Разработана конструкция геокомпозиционных экранов и методика расчета устойчивости склонов, защищенных геокомпозиционными экранами в условиях активного развития эрозионных процессов.

6. Результаты крупномасштабного натурного эксперимента обосновывают теоретические положения работы и разработанный автором комплекс мероприятий, включающий применение теокомпозиционных экранов, который служит эффективным средством обеспечения геоэкологической безопасности ландшафтов, образовавшихся в результате добычи минеральных материалов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Щербина Е.В., Теличенко В.И., Алексеев A.A. и др. Геосинтетические материалы: Классификация, термины и определения // Известия вузов. Строительство. - №5. - 2004, С. 50 - 55.

2. Щербина Е.В., Алексеев A.A. Методы расчета армированных оснований дорожных насыпей // Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах: Материалы Международной научно-технической конференции. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2003, С. 188 - 193.

3. Щербина Е.В., Алексеев A.A. Использование геосинтетических материалов для укрепления склонов и откосов дорожных насыпей и выемок // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог...: Материалы Российской научно-технической конференции. Пермь: Изд-во ПГТУ, 2004, С. 153 - 159.

4. Щербина Е.В., Алексеев A.A. Разработка эффективных природоохранных конструкций и технологий на основе геокомпозиционных систем // Материалы научно-технической отчетной конференции-выставке по результатам реализации в 2004г. Межотраслевой программы научно-инновационного сотрудничества Министерства образования и науки РФ и Федерального Агентства Специального строительства РФ "Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве". - М.: Изд-во МГСУ, 2004, С. 92 - 97.

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.1997 г.

Подписано в печать 22.04.2005 Формат 60x84 1/16 Печать офсетная И-62_Объем 1,5 п.л. Т. 100_Заказ_

Московский государственный строительный университет Типография МГСУ. 129337, Москва, Ярославское ш., 26

( ; 1232

и мшив' ■"

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Алексеев, Антон Александрович

Введение.

Глава 1. Анализ современной геоэкологической устойчивости ландшафтов на территории Московской области. ф 1.1. Оценка состояния, использования и охраны ландшафтов, почв, земельных ресурсов Московской области.

1.2. Эрозия, как фактор разрушения ландшафтов.

1.3. Анализ методов рекультивации земель нарушенных горными работами.

Глава 2. Характеристика объекта исследования и разработка метода (Ф противоэрозионной защиты.

2.1. Общая характеристика объекта натурных исследований и краткое описание проекта его рекультивации.

2.2. Анализ инженерно-геологических условий объекта натурных исследований.

2.3. Физико-механические свойства грунтов карьера.

2.4. Анализ общей устойчивости бортов карьера и эрозионных процессов развивающихся на их поверхности.

2.5. Разработка метода противоэрозионной защиты и конструкций геокомпозиционных экранов.

Глава 3. Теоретическое обоснование применения геокомпозиционных экранов при рекультивации земель нарушенных горнотехнической деятельностью.

3.1. Разработка математической модели развития эрозионных процессов в их критическом состоянии.

3.2. Разработка методики расчета устойчивости геокомпозиционных экранов на эрозионно-опасных участках.

3.3. Оценка влияния биологических факторов на устойчивое функционирование геокомпозиционных систем.

Глава 4. Результаты натурных исследований по стабилизации эрозионных процессов на объекте (карьер "Гурбан").

Р 4.1. Принципы и методика натурных наблюдений.

4.2. Оценка результатов метеорологических наблюдений.

4.3. Анализ результатов натурных наблюдений.

4.4. Оценка геоэкологической эффективности геокомпозиционных экранов по данным натурных исследований.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геоэкологическая эффективность применения геокомпозиционных экранов при восстановлении ландшафтов, нарушенных горнодобывающей деятельностью"

Естественная основа существования человека и человечества - природная среда, т.е. совокупность объектов и условий природы, в которых протекает деятельность субъекта или их сообществ. В частности люди добывают, перерабатывают и используют то, что можно получить из земных недр, поэтому минеральные ресурсы занимают практически ведущее положение среди источников материального производства, а горное дело является одной из основных отраслей промышленности.

Одной из важнейших особенностей горных работ является их временный характер. При истощении месторождения полезных ископаемых собственно горные работы по их добыче прекращаются. Однако, несмотря на такой временный характер воздействия горных работ на окружающую среду, геологическая среда в горнодобывающих районах преобразуется весьма интенсивно и крупномасштабно. Постепенное накопление таких преобразований может выразиться в отложенной реакции, которая способна вызвать катастрофические с геоэкологической точки зрения процессы и явления. Геологическая среда, как литогенная основа природных ландшафтов, принципиально является одним из наиболее стабильных и консервативных условием, обычно наименее изменчивых в текущих темпоральных взаимодействиях и кругообороте веществ в существующих геоэкосистемах. Однако установлено, что изменения, вызванные воздействием горных работ на геологическую среду в силу их масштабности, широкого распространения и многовекового применения, отрицательно сказываются на геоморфологических, биологических, эстетических характеристиках ландшафтов. Нарушения приводят к гибели или деградации растительного покрова, ухудшению качества, изменению структуры или потере плодородного почвенного слоя. Лишенные же растительного покрова и частично нарушенные породы далее подвергаются интенсивной водной и ветровой эрозии.

Именно открытой разработке месторождений свойственны наиболее обширные ландшафтные нарушения. Кроме того, каждый участок земли, нарушенный при открытой разработке месторождений, негативно влияет на примерно такую же площадь прилегающей территории. Выработанное пространство характеризуется занимаемой площадью, глубиной, устойчивостью бортов, физико-механическими и физико-химическими свойствами пород и гидрогеологическими особенностями территории.

Процессы естественного восстановления растительных покровов, почв и рельефов нарушенных земель протекают медленно (до тысячелетий) или неэффективно. Нарушения земной поверхности, как правило, не исчезают и становятся устойчивыми техногенными формированиями. Это является причиной того, что нарушенные земли подлежат искусственному восстановлению.

Из вышеизложенного следует, что исследование и разработка мероприятий, направленных на восстановление нарушенных земель, с целью обеспечения геоэкологической безопасности природно-техногенных ландшафтов, актуальны, современны и имеют большое практическое значение.

Экологическая безопасность - состояние защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от возможного негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, их последствий" [65].

Составной частью экологической безопасности является геоэкологическая." [65] Геоэкологическая безопасность в приложении к рекультивации выработанных карьеров предполагает разработку и реализацию комплекса мероприятий, направленных на обеспечение безопасности главных жизнеобеспечивающих геосфер, и реализуется в процессе проектно-изыскательских, технологических и эксплуатационных фаз осуществляемого строительного проекта на протяжении всего жизненного цикла во взаимодействии с природно-техногенными системами вторичных (природно-техногенных) ландшафтов [65].

В работе приводятся материалы экспериментально-теоретических исследований на стадиях проекта, строительства и эксплуатации геокомпозиционных экранов, рассматриваемых как элемент восстанавливаемой антропогенной экосистемы. Исследования были сосредоточены на оценке геоэкологической безопасности вторичных (природно-техногенных) ландшафтов.

Цель работы - обеспечение геоэкологической безопасности вторичных (природно-техногенных) ландшафтов, образовавшихся в результате добычи минеральных материалов, на основе прогноза развития эрозионно-склоновых процессов и разработки эффективных решений геокомпозиционных экранов (на примере песчано-гравийного карьера "Гурбан" Московской области).

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. На основе анализа состояния проблемы выработать методологию исследований.

2. Провести подробный геоэкологический анализ натурного объекта исследований, и сопоставить полученные данные с обобщенными геоэкологическими условиями территории Московской области, для определения масштабов применения разработанных решений.

3. Определить тип материала матрицы геокомпозиционных противоэрозионных экранов с учетом сложности и специфики геологических, климатических и биоценотических условий. Сформулировать основные требования, которым он должны отвечать.

4. Разработать математическую модель критического развития эрозионных процессов на склонах, сложенных песчаными грунтами техногенного происхождения.

5. Обосновать методики расчета устойчивости геокомпозиционных экранов.

6. Разработать программу и реализовать крупномасштабный натурный эксперимент, для обоснования теоретических исследований, включая проектное решение, технологический регламент и мониторинг на период строительства и эксплуатации геокомпозиционных экранов.

Объект исследований диссертационной работы — природно-техногенная система, образовавшиеся в результате горных работ (выработанный карьер песчано-гравийного материала). Предмет исследования - методы стабилизации грунтов бортов отработанных карьеров подверженных развитию эрозионных и склоновых процессов.

Рабочая гипотеза диссертации заключается в том, что применение геокомпозиционных экранов в конструкциях противоэрозионной защиты земель, нарушенных горнотехнической деятельностью, позволяет обеспечить геоэкологическую безопасность вновь созданных вторичных (природно-техногенных) ландшафтов и восстановить гомеостаз этих антропогенных экосистем.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

• Впервые на основе теоретических исследований и результатов крупномасштабного натурного эксперимента, выполненных лично автором, обоснован комплекс мероприятий, позволяющих обеспечить устойчивость функционирования природно-техногенных ландшафтов, образовавшихся в результате добычи минеральных природных материалов, подверженных активному развитию эрозионных процессов;

• Разработана математическая модель критического развития эрозионных процессов на антропогенной территории с отличными от природных условий геоморфологическими характеристиками (большие значения угла заложения откосов бортов карьера, нарушенная структура грунтового массива, нарушенный гидрологический режим и т.д.).

• Автором разработана и экспериментально обоснована конструкция геокомпозиционных противоэрозионных экранов и методика расчета устойчивости техногенных и природных склонов, защищенных геокомпозиционными экранами в условиях активного развития эрозионных процессов.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что:

• Теоретически обоснованное, проверенное расчетами и натурным экспериментом решение, базирующееся на использовании геокомпозиционных экранов, с целью предотвращения эрозионных процессов на объектах со сложными геологическими, биологическими и климатическими условиями, позволяет обеспечить их геоэкологическую безопасность, а также существенно снижает сроки и материалоемкость строительства. Степень проработки этого решения позволяет рекомендовать его к непосредственному применению в практике проектирования и строительства;

• Разработанная и экспериментально обоснованная математическая модель, позволяющая выявить опасность развития эрозионных процессов на песчаных склонах, рекомендована к использованию в проектной и нормативной документации;

• Разработанная и экспериментально апробированная методика расчета устойчивости геокомпозиционных систем на склонах, является практически подготовленной для включения в нормативную документацию и практику проектирования систем инженерной защиты.

Решения, примененные в данной работе, были использованы при выполнении НИР работ НП и УЦ «Экогеос» на объектах Сорочаны, Сычево, ВНИИГАЗ и прошли согласование Госгортехнадзора России при капитальном ремонте магистрального трубопровода Тихорецк - Новоросийск.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель, критического развития опасных эрозионных процессов на бортах отработанных карьеров и природных склонах, сложенных песчаными грунтами;

2. Методика расчета устойчивости геокомпозиционных систем противоэрозионной защиты земель нарушенных горнотехнической деятельностью;

3. Результаты крупномасштабного натурного эксперимента, подтвердившие эффективность использования геоматов в геокомпозиционных противоэрозионных экранах, в сложных геоэкологических условиях.

Публикации: основное содержание диссертации отражено в 5 опубликованных работах.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции "Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах" (Архангельск, 2003); Российской научно-технической конференции "Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды" (Пермь, 2004); Научно-технической отчетной конференции-выставке по результатам реализации в 2004г. Межотраслевой программы научно-инновационного сотрудничества Министерства образования и науки РФ и Федерального Агентства Специального строительства РФ "Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве" (Москва, 2004); Научно-методических семинарах кафедры Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ, аспирантском семинаре кафедры Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии, изложена на 132 страницах машинописного текста, включая 36 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 138 наименований, в том числе 17 на иностранном языке.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Алексеев, Антон Александрович

Общие выводы

1. В условиях растущего антропогенного освоения территории Московской области, задача восстановления нарушенных земель становится все более актуальной и имеет практическое эко лого-экономическое значение. Проведенное сопоставление результатов подробного геоэкологического анализа объекта исследований и земель, нарушенных при разработке месторождений полезных ископаемых, территории Московской области показывает, что данный объект и полученные решения могут быть использованы в качестве аналогов при восстановлении земель, нарушенных горными выработками.

2. В результате комплексного анализа геоэкологических условий, определяющих развитие негативных процессов, протекающих на землях, нарушенных горнотехнической деятельностью, автором выработан сбалансированный подход к принятию решения по способу рекультивации, основанный на новых методах инженерной защиты от эрозионно-склоновых процессов, включающих горнотехнический и биологический этапы, в наибольшей степени способствующий самовосстановлению экосистемы.

3. Автором разработана и апробирована на реальном объекте математическая модель, которая в отличие от зависимостей Н.И. Маккавеева и Ф. Хюльстрема, позволяет прогнозировать критическое развитие эрозионных процессов на антропогенных территориях с учетом угла заложения бортов карьера, нарушенной структуры грунтового массива и нарушенного гидрологического режима.

4. Разработана конструкция противоэрозионных геокомпозиционных экранов, состоящих из геосинтетического материала матрицы, минерального наполнитель и биотических компонентов. Применение этих геокомпозиционных экранов позволяет совместить инженерно-технические и биологические методы защиты земной поверхности от эрозии, и тем самым повысить эффективность решений.

5. Сформулированы основные требования и определен тип материала матрицы геокомпозиционных экранов с учетом сложности и специфики геологических, климатических и биоценотических условий. Разработана конструкция геокомпозиционных экранов и методика расчета устойчивости склонов, защищенных геокомпозиционными экранами в условиях активного развития эрозионных процессов.

6. Результаты крупномасштабного натурного эксперимента обосновывают теоретические положения работы и разработанный автором комплекс мероприятий, включающий применение геокомпозиционных экранов, который служит эффективным средством обеспечения геоэкологической безопасности ландшафтов, образовавшихся в результате добычи минеральных материалов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Алексеев, Антон Александрович, Москва

1. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия,1969.

2. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд. переработанное и доп. М.: Наука, 1976.

3. Алексеев М.И., Курганов A.M. Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий: Учеб. пособие. М.: Изд-во АСВ; СПб.: СПбГАСУ. - 2000. - 352 е.: ил.

4. Алкарева А.Б., Доненберг В.М., Квасова И.Г. Условия предельной устойчивости частиц несвязанного грунта на дне турбулентного потока и их оценка. Изв. ВНИИГ, 1978, т. 126, с. 22-29.

5. Альтшуль А.Д. Гидравлическое сопротивление. — М.: Сельхозиздат, 1962. — 271 с.

6. Амалицкий В.П. Горбатовский уезд // Материалы к оценке земель Нижегородской губернии. — Вып.VII. — СПб. 1885. С.23.

7. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология: Учеб. для строит, спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2000. - 511 е.: ил.

8. Андреев С.И. Борьба с эрозией почв. Чебоксары: Чувашское кн. изд-во. 1968.- 112 с.

9. Арнольд Н. О копании канав на пригорках и возвышенностях пахотных полей // Земледельческая газета. 1840. - № 102. — С.815.

10. Ю.Бельгибаев М.Е., Долгилевич М.И. О предельно допустимой величине эрозии почв. — Труды Всесоюз. НИИ агролесомилиарации, вып. 1/161. М.,1970.

11. П.Болотов А.Т. Мысли о водороинах // Экономический магазин. М., 1781. — С.195.

12. Боровков B.C. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях. JL: Гидрометеоиздат, 1989. - 286с.

13. Борткевич В.М. Укрепление оврагов водосборными валами и канавами // Сборник статей по песчано-овражным работам. Петроград. - Вып.У, 1915.

14. М.Бухин М.Н., Онищук В.В. К вопросу определения неразмывающих скоростей потока для русел, сложенных из неоднородных несвязанных материалов. — В кн.: Мелиорация и водное хозяйство, вып. 35. М., 1975, с. 37-42.

15. Векслер А.Б., Доненберг В.М. Об оценке геометрии крупной и зернистой шероховатости наносов в гидравлических расчетах. Гидротехническое строительство, 1980, № 3, с.29-33.

16. Викулова Л.И. Вопросы методики расчета саморазмыва каналов. Труды Гидропроекта, 1964, вып. 12, с. 294-305.

17. Волков В.Г., Давыдова Н.Д. Техногенез и трансформация ландшафтов. -Новосибирск: Наука, 1987. 190 с.

18. Воробьев А.Е., Чекушина Т.В. Способы и методы формирования техногенных минеральных объектов при открытой разработке сложноструктурных месторождений. М.: ЦНИИЦВЕТМЕТ экономики и информации, 1990.

19. Гончаров В.Н. О взвешивании наносов. —М. -Л.: Госстройиздат, 1933.-186 с.

20. Гончаров В.Н. Нормы допускаемых неразмывающих скоростей. — Гидротехническое строительство, 1936, № 5, с. 5-18.

21. Гончаров В.Н. Основы динамики русловых потоков. Л.: Гидротетеоиздат, 1954.-452 с.

22. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. -374 с.

23. Горшков С.П., Земельные ресурсы мира: антропогенное воздействие. М., 1987.25. ГОСТ 12536-79

24. ГОСТ 175304-83 Охрана природы. ЗЕМЛИ. Общие требования к рекультивации земель.

25. Градостроительное обоснование размещения многофункционального спортивного комплекса . Н ООО "Аркград" М., 2002.

26. Гудзон Н. Охрана почвы и борьба с эрозией. М., 1974.

27. Гуссак В.Б. Некоторые наблюдения над эрозией почв в пограничном слое с помощью микрокиносъемки. Почвоведение, 1948, № 1, с. 32-43.

28. Данелия Р.Г. Влияние глубины потока на величину допускаемых (неразмывающих) скоростей. Сообщ. АН ГрузССР, 1963, с. 30, № 1.

29. Докучаев В.В., Сибирцев Н.М. Введение // Труды экспедиции, снаряженной Лесным Департаментом под руководством проф. В.В. Докучаева. СПб, 1894.-С.7-33.

30. Дубах А.Д. Пробегание талой воды по склонам и тальвегам // Метеорология и гидрология. 1941. - №3.

31. Заславский М.Н. Эрозиоведение. — М.: Высшая школа, 1983, 320 с.34.3ащита почв от водной и ветровой эрозии на Урале, в Башкирской и Татарской АССР: Рекомендации. — М.: Россельхозиздат, 1979. 40 с.

32. Кауричев И.С. Почвоведение. М., 1975.

33. Каштанов А.Н. Защита почв от водной и ветровой эрозии. М.: Колос, 1974. -215 с.

34. Классификация грунтов / И.В. Дудлер // Учебное пособие. М. 1995г.

35. Кнороз B.C. Неразмывающая скорость для мелкозернистых грунтов. — Гидротехническое строительство, 1953, № 8, с. 11-18.

36. Кнороз B.C. Неразмывающая скорость для несвязных грунтов и факторы, ее определяющие. Изв. ВНИИГ, 1959, т. 59, с. 95-115.

37. Ковзель А.Г. Исследование процессов формирования стока талых вод в малом водосбросе // Труды Гос. гидрологического ин-та. Л. - вып. 38 (92). - 1953.

38. Коротков В.Е. К выводу обобщенной формулы неразмывающей скорости несвязных грунтов. Гидротехническое строительство, 1975, с. 24-47.

39. Красавин А.П., Бугайченко В.Е. Охрана природы в угольнойпромышленности. М.: ЦНИЭИуголь, 1987.

40. Кузнецов М.С. Противоэрозионная стойкость почв. — Изд-во МГУ, 1981. -136 с.

41. Куликова А.А., Куликова Е.Ю. Проблемы рационального природопользования в условиях интенсивного использования подземного пространства территорий городов и промышленных предприятий. — М.: Знание, 1992.

42. Курбатова А.С. Ландшафтно-экологический анализ формирования градостроительных структур. Смоленск: Маджента, 2004. - 399 с.

43. Курбатова А.С., Башкин В.Н., Савин Д.С., Савельева В.А. Геоэкологические подходы к реабилитации долины малой реки (на примере долины реки Сетунь, Москва) // Вестник МГУ. Серия география. 2004в. №3.

44. Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв. М.: Изд. МГУ, 1993.

45. Лятхер В.М., Прудовский A.M. Гидравлическое моделирование. М.: Энергоатомиздат, 1984. — 392 с.

46. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. — М.: Изд-во АН СССР, 1955.-280 с.

47. Мирзаев Г.Г., Иванова Б.А., Щербакова В.Н. и др. Экология горного производства-М.: Недра, 1991.51 .Мирцхулава Ц.Е. Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии. — М.: Колос, 1970.-240 с.

48. Надирашвили B.C. О среднем числе превышений напряжения отрыва агрегата над сопротивляемостью отрыву в процессе эрозии. — В кн.: Эрозионные и селевые процессы и борьба с ними, вып. 5. Тбилиси, 1976, с. 65-68.

49. Небел Б. Наука о окружающей среде. Как устроен мир: В 2 т. М., 1993.54.0всинский И.Е. Новая система земледелия. — М., 1911. С.45-211.55.0дум Ю. Основы экологии. М., 1975.

50. Одум Ю. Экология. Т. 1 2. М., 1986.57.0пасные экзогенные процессы / В.И. Осипов, В.М. Кутепов, В.П. Зверев и др. / Под ред. В.И. Осипова. М.: ГЕОС, 1999. - 290с.

51. Отчет НИР: "Рекомендации по укреплению северных склонов карьера "Гурбан"", х/д № 368/03, Материалы МГСУ, 2003.59.0тчет о результатах инженерно-геологических работ на территории карьера "Гурбан" // ФГУП институт "ВНИПИИстромсырье", 2002.

52. Павловский Н.Н. Гидравлический справочник. М.: ОНТИ, 1937. - 890 м.

53. Протокол № ЗЗ-б заседания Территориальной комиссии по запасам полезных ископаемых при Департаменте природных ресурсов по Центральному региону Министерства природных ресурсов РФ, 16 апреля 2002.

54. Певзнер М.Е., Костовецкий В.П. Экология горного производства. — М.: Недра, 1990.

55. Пирс К. Эрозия. М.: Мир, 1982. - 413 с.

56. Пойкер X. Культурный ландшафт: формирование и уход. М., 1987.

57. Потапов А.Д. Экология: Учебник/А.Д. Потапов. 2-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. шк., 2004. - 528 е.: ил.

58. Потапов А.Д., Паушкин Г.А. Основы генетического грунтоведения. М., 1994.

59. Почвозащитное земледелие на склоновых землях Нечерноземной зоны РСФСР: Рекомендации. — М.: Россельхозиздат, 1984. — 40 с.

60. Программа действий. Повестка дня на XXI век и другие документы конференции в Рио-де-Жанейро. М., 1993.

61. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Словарь экологических терминов и понятий. М.: Финансы и статистика, 1997. - 160 с.

62. Реймерс Н.Ф. Природопользование. М., 1990.

63. Реймерс Н.Ф. Природопользование (словарь-справочник). М., 1990.

64. Рекомендации по повышению плодородия почв, увеличению производства зерна, кормов в Волго-Вятском экономическом районе. Киров, 1978. — 68 с.

65. Розанов Б.Г. Почвенный покров земного шара. М., 1977.

66. Сдобников С.С. Острые проблемы теории обработки почвы // Земледелие. — 1988.-№ 12.-С. 16-22.

67. Сидоров М.И. И плуг, и плоскорез // Земледелие. 1989. — № 6. - С.21-23.

68. Сластунов С.В., Королева В.Н., Коликов К.С. и др. Горное дело и окружающая среда: Учебник. — М.: Логос, 2001. 272 е.: ил.

69. Сметанин В.И. Рекультивация и обустройство нарушенных земель. — М.: Колос, 2000.

70. Соболев С.С. Развитие эрозионных процессов на территории Европейской части СССР и борьба с ними. М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1948, т. 1, 305 е.; 1960, т. 2, 248 с.80.СНиП 2.01.01-82

71. Спирин А.П. Состояние и перспективы механизации работ для защиты почв от эрозии // Механизация и электрификация Социалистического сельского хозяйства. 1982. - № 6. - С.7-10.+

72. Спичак Ю.Н., Ткачев В.А., Кипко А.Э. Охрана окружающей среды и рациональное использование месторождений полезных ископаемых. — М.: Недра, 1993.

73. Сулейменов М.К. Итоги работы по совершенствованию Почвозащитных мероприятий // Земледелие. 1987. — № 11. - С.36-39.

74. Сурман Г.П. Водная эрозия и борьба с ней. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

75. Сухов Г.М., Потапов Е.Д., Григорьева Р.И. Прогнозирование охраны окружающей природной среды и использование ее ресурсов. М.: Изд-во стандартов, 1982.

76. Тарасенко А.А., Путилин А.Ф., Артамонова B.C. Экологические аспекты эрозионных процессов. Аналитический обзор / ГПНТБ СО РАН, Ин-т почвоведения и агрохимии СО РАН, Новосибирск, 1999.

77. Теличенко В.И., Потапов А.Д., Щербина Е.В. Надежное и эффективное строительство на техногенно-загрязненных территориях // ПГС. 1997. №8.

78. Токмаков П.И., Коваленко B.C., Михайлов A.M., Калашников А.Т. Экология и охрана природы при открытых горных работах. М.: Изд-во МГГУ, 1994.

79. Трегубов П.С., Зверхановский Н.В. Борьба с эрозией почв в Нечерноземье. — Л.: Колос, 1981.-160 с.

80. Трегубов П.С. Об оценке потенциальной опасности эрозии в связи с фазами развития сельскохозяйственных культур. В кн.: Оценка и картирование эрозионноопасных и дефляционноопасных земель. М., Изд-во Моек ун-та, 1973, с. 148-150.

81. Трегубов П.С. О проектировании противоэрозионных мероприятий и их эффективности. "Вестн. с.-х. науки", 1968, № 4, с. 1-4.

82. Трофимов Г.И. О неразмывающей скорости для песчаных грунтов. — Гидротехническое строительство, 1956, № 2, с. 8-12.

83. Харченко В. А. Рациональное природопользование в горной промышленности. М.: МГТУ, 1995.

84. Хортон Р.Е. Эрозионное развитие рек и водосборных бассейнов. М. - Л.: Изд-во иностр. лит-ры, 1948. -158 с.

85. Цытович Н.А. и др. Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов. М.: Изд-во АН СССР, сб. 2, 1954. - 92 с.

86. Шалабанов А.А. Пропускает ли воду мерзлая почва // Почвоведение. 1903. -№ 3.-С.274.

87. Швебс Г.И. Формирование водной эрозии, стока наносов и их оценка. — JL: Гидрометеоиздат, 1974. 183 с.

88. Швебс Г.И. Теоретические основы эрозиоведения. Киев. Высшая школа, 1981.

89. Шилов И.А. Экология. М., 2000.

90. Шишкин А.Н. К вопросу об уменьшении вредного действия засух на растительность. СПб, 1876.

91. Щеклеин СЛ. Эрозия почв и борьба с ней — Киров: Кн. изд-во, 1963.-44 с.

92. Щербина Е.В., Теличенко В.И., Алексеев А.А., Смутчук Б.В., Слепнев П.А. Геосинтетические материалы: классификация, свойства, область применения. / Известия Вузов, Строительство, №5, 2004.

93. Щербина Е.В. Геосинтетические материалы в городском строительстве и хозяйстве: классификация, термины и определения./ Актуальные пробл. городского стр-ва и хоз-ва./ Сб. научн. труд, ф-та ГСХ, МГСУ, М., 2001.

94. Щербина Е.В., Капранов Д.С. Использование геосинтетич. материалов для стабилизации эрозионных процессов./ Актуальные пробл. городского стр-ва и хоз-ва./ Сб. научн. труд, ф-та ГСХ, МГСУ, М., 2001.

95. Щербина Е.В. Геосинтетические материалы в строительстве: Строит, мат., оборуд., технологии XXI века, №5 (28), 2001.

96. Щербина Е.В., Алексеев А.А. Разработка эффективных природоохранных конструкций и технологий на основе геокомпозиционнных систем //

97. Эрозионные процессы (Географическая наука практике) // под ред. Маккавеева Н.И., Чалова Р.С. М.: Мысль, 1984.

98. Янковский П.В. О задержании снеговых вод земляными валиками, проведенными по горизонталям // Журнал опытной агрономии. Кн.З, 1902.

99. Alexander, Р.А., Lochshore management project, a trial to compare the performance of ten geotextiles in the control of bank erosion Luss, Loch Lomond, The Countryside Commission for Scotland, Balloch, 1982.

100. Berkhout H. C, Meting van de maximaal toelaatbare watersnelheid tegen overlap konstrukties met Enkamat-A, CTI D 81/117, Enka Research Institute, Arnhem, August 1981

101. Cazzuffi D.; Rimoldi P. (1992). "European proposal for standardisation of geosynthetic materials in erosion-control applications". Procedures of the International Conference on Erosion Control, IECA'92, Reno, Nevada, USA.

102. Coppin, and Richards, . (1990). Use of vegetation in civil engineering. Butterworths, London.

103. Сох, M. В., Tests on vegetated waterways, Oklahoma Agricultural Experimental Station, Technical Bulletin T-l5, Oklahoma, 1942.

104. Foster, G.R. 1982. Modeling the erosion process. Chapter 8 in: C.T. Haan (ed.), Hydrologic Modeling of Small Watersheds. ASAE Monograph No. 5. American Society of Agricultural Engineers, St. Joseph, MI. pp 297-360.

105. Geosynthetics; Applications, Design and Construction. EuroGeo 1 De Groot, Den Hoedt & Termaat (eds)/ -1996/ Balkema, Rotterdam/ - 1066 p.

106. Gilberto E. Urroz, С Earl Israelsen, High velocity shear testing of Enkamat 7010, Enkamat 7020, Landlok TRM 1060 and TRM 3000, Utah Water Research Laboratory, College of engineering, Utah State University, Logan, June 1994.

107. Hendrick, R.L., B.D. Filgate and W.M. Adams. 1971. Application of environmental analysis to watershed snow melt. J. Applied Meteorology 10:418429.

108. Hjulstrom F. Das Transporivermogen der Flusse und die Bestimmung des Erosionsbetzages. Geogr. Ann., 1932, v. 14. (Stokholm.)

109. Hjulstrom F. Studies of the morphological avtivity of rivers as illustrated by the River Fyris. Bull. Geol. Inst., Upsala, 1935, v. 25.

110. Kobler K. Patentrezepte gibt es nicht // Landw. z Rheinland, 1988.

111. Mein, R.G. and C.L. Larson. 1973. Modeling infiltration during a steady rain. Water Resources Research 9(2):384-394.

112. Morgan, R.P.C., Finney, H.J. and E. Merritt, Effectiveness of Enkamat in controlling soil erosion by water on steeply-sloping embankments, Silsoe College, 1984

113. Peter Rankilov. Classufication and use of Geotextile. Seminar dept. of Transportation. University of Manchester, April 1989.

114. Puig J.; Schaeffner M. (1986). "The use of three dimensional geotextile to combat rainwater erosion." Third International Conference on Geotextiles. Vienna, Austria.

115. Rimoldi, P.; Ricciuti, A. (1994). "Design Method for Three-Dimensional Geocells on Slopes", Proceedings of the 5th International Conference on Geotextiles, Geomembranes and Related Products. Singapore.

116. Архив погоды // Лаборатория информационной поддержки космического мониторинга (SMIS IKI RAN), Сервер "Погода России".131. http://mosobl.priroda.ru

117. Состояние, использование и охрана почв, земельных ресурсов и ландшафтов

118. Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования МПР России по Московской области, 2003.132. http://mosobl.priroda.ru

119. Состояние, использование и охрана недр И Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования МПР России по Московской области, 2003.133. http://www.colbond.com

120. Материалы, размещенные на сайте фирмы Colbond Geosynthetics (Нидерланды Германия).134. http.-//www.huesker.de

121. Материалы, размещенные на сайте фирмы Huesker Synthetic (Германия).135. http://www.maccaferri.com

122. Материалы, размещенные на сайте фирмы Maccaferri (Италия).136. http://www.naue.com

123. Материалы, размещенные на сайте фирмы Naue Fasertechnik (Германия).137. http://www.polyfelt.com

124. Материалы, размещенные на сайте фирмы Polyfelt (Австрия).138. http://www.tencate-nicolon.com

125. Материалы, размещенные на сайте фирмы Ten Cate Nicolon (Нидерланды).