Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Современный криогенез в лессовидных породах и его влияние на развитие береговых уступов Ангарских водохранилищ

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Современный криогенез в лессовидных породах и его влияние на развитие береговых уступов Ангарских водохранилищ"

РГ8 ОД

СЖРСКОН ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ земкоП кош

На правах рукописи

ШУЛЬГИН МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

СОВРЕЛЕНШЙ КРИОГЕНЕЗ В ЛЕССОВИДНЫХ ПОРОДАХ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА РАЗВИТ® БЕРЕГОВЫХ УСТУПОВ АНГАРСКИХ ВОДОХРАНИЛИЩ

04.00.07 - Инженерная геология, мерзлотоведение, грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогичесчих наук

Иркутск - 1994

Работа выполнена в Институте земной коры СО РАН

Научшй руководитель - доктор геолого-минералогических

Сф'.щиальше оппоненты: доктор геолого-минералогических

наук Т.Г.Ргаценко

кандидат геолого-минералогических наук, доцент И.И.Верхсзин

Ведушая организация: ГГП "Иркутскгеологил"

■ Защита состоится и^о'+Я 1994 г. часов

на заседании специализированного совета Д 003.07.02 при Институте земной кори СО РАН /664033, г.Иркутск, ул.Лермонтова, 128/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского научного центра СО РАН /в здании Института земной коры СО РАН/

Автореферат разослан п2£п ехк-ре^Р 1994 г. Ученый секретарь специализированного

наук Ф.Н.Лещиков

совета, кандидат геолого-минералогических наук

Ю.И.Кустов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работа, Проблема динамики берегов водохранилищ все более приэяекает внимание исследователей в связи с охраной и рациональным использованием природной среда. Особенно актуальна сна на водохранилищах с глубоким сезонным промерзанием и распространенней многолетнемерзлых пород. Здесь народу с абразией, весьма заметна роль криогенных процессов и явлений в формировании и развитии береговой зоны. После образования и подтопления отвесних береговых уступов получает сильный импульс горизонтальная составляющая тепло - к влагопереноса, обнажается толца капиллярного увлажнения пород, и'создаются условия для наиболее интенсивного, чем в обычной обстановке или в карьерах, развития физического отслаивания, епдывов и обрушений (те{люгразитацк:нных процессов). Одним из путей изучения современного криогенеза в лессовидшх породах на берегах и определения устойчивости склонов является комплексная оценка геокриологических условий береговой зоны, установление последовательности развития и влияние криогенных процессов. При освоении побережья становится все более актуальной оценка ши:е-нерно-геологичеоких свойсти лессовидных пород, особенно попадающих в зону размыва и подверженных, сезонному промерзанию-оттаиванию. Важно также определение места современных криогенных преобразований среди других экзогенных геологических процессов на бе-ругах.

Цель и задачи исследований. Основная цель проведенных исследований заключается в выяснении условий развития современного крио-генеэа в лессовидных породах и особенностях его проявления на берегах такой части Братского и Иркутского водохранилищ (при высоком. уровне.).

В работе решались следующие задачи: I) изучить особенности температурного режима и влажности пород, а также условия промерзания и оттаивания их в береговых уступах; 2) определить характер формирования и преобразования криогенного строения, состава, изменения физико-механических свойств лессовидных'пород в обнажениях береговых уступов и на границе раздела мерзлых - талых зон под действием сезонного промерзания-оттаивания; 3) дать количественную оценку процессов криогенеза в масштабе разрушения пород на берегах; 4) выявить условия развития криогенных явлений и термогравитационных процессов на берегах ангарских водохранилищ.

Фактический материал, объекты и методы исследования. Работа вьтолнена в соответствии с планом исследований лаборатории мерзло-

товедения и грунтоведения по теме "Оценка инженерно-геологических и инженерно-геодинамичееких условий территории Восточной Сибчри". В основу диссертации положены результате стационарных и экспериментальных исследований и лабораторных определений, выполненных автором на Братском и Иркутском водохранилищах в 1982-1990 годах. Объектом исследования были выбраны опорные участки берега у поселков Ново-Разводная, Патрош, Грудинино на Иркутском ьодохранилище и Первомайское, Заславская, Нельхай, Рассвет, Бильчир на Братском водохранилище общей протяженностью 8 км.

Стационарные наблюдения включали: I) визуальное обследование берега к инстументальнне морфомегрические замеры за темпами отступания береговых уступов по закрепленным постепенно или временно реперам, по 39 поперечникам; 2) 'замеры чемпературы воздуха и грунта в береговой зоне, а также определение глубины промерзания и оттаивания пород в уступах; 3) наблюдения за формированием морозо-бойдак трещин, трецин бокового отпора и криогенного строения пород, а также развитием криогенных и термогравитеционных процессов.

При изучении влажности и температурного режима пород в береговых уступах было пробурено 117 скважин с'глубиной проходки до 3,6 м, производимом как с поверхности склона, так и со сторона стенки уступа. Особое внимание уделялось ослабленным зонам и приповерхностному слою пород. Дня изучения гранулометрического и химического состава лессовидных пород было проанализировано соответственно 127 и 89 проб; для определения физико-механических свойств - 26 монолитов и 120 образцов ненарушенного сложения при определении плотности и объемной влажности грунта (лабораторные исследования проводились в лаборатории мерзлотоведения и грунтоведения Института земной коры). Физические и механические показатели четвертичных пород изучались в основном по стандартным методам (Ломтадзе, 1972, 1990). Статистическая обработка полученных данных производилась с применением БСМ-б (Статистические методы..., 1986),

Основные выводы сделаны на основе анализа и обобщения экспедиционных и лабораторных материалов, а также систематизации литературных источников гидрогеологических-и геологических исследований, Приведенные в работе чертежи, таблицы, схемы составлены автором. При заимствовании данных других авторов сделаны ссылки на первоис-то 11КИ.

Научтя новизна. I, Установлена стадийность сезонного промерзания-оттаивания лессовидных пород на берегах и выявлены особенности перераспределения влаги в породах, слагающих берегопые уступы на Иркутском и южноА части Братского водохранилищ при высоком уровне воды.

я 5 '

2, Выявлены закономерности формирования криогенного строения лессовидных пород и тевденция изменения их физико-механических свойств в хода криогенеза по стенкам уступов и у фронта промерзания пород.

3, Определен механизм разрушения береговых уступов, лишениях контфорса, а также стадийность формирования уступов йод действием криогенных и термогравитационных процессов»

4, Дана количественна* оценка темпов отступания береговых уступов и объемов разрушения лессовидных пород по сезонам года.

Защищаемые положения, I. Особенностью современного криогенеза лессовидных пород на берегах ангарских водохранилищ в условиях глубокого сезонного промерзания и подрезки склонов является интенсивное его развитие за счет одновременного действия как вертикальной, так и горизонтальной составляющей тешгл - и влагопереноса.

2. Проявление современного криогенеза в лессовидных породах на берегах ангарских водохранилищ происходит неодинаково по высоте уступов. Наиболее существенные преобразования криогенного строения, состава и физико-механических свойств выражены в подножье уступов

в капиллярно-увлажненной толще и у границы промерзания пород.

3, Современный криогенеп а лессовидных породах на берегах ангарских водохранилищ является важным рельефообразуищим фактором. Под действием термогравитационных процессов профиль берегового уступа к лету выполаживается, а разрушение пород идет поэтапно ст подножья к бровке (в условиях подрезки склонов при высоком уровне водохранилищ).

Практическое значение работы заключается в том, что в ней выявлен характер разрушения лессовидных пород в береговых уступах на основе изучения строения, состава и свойств и их изменение под влиянием процессов промерзания-оттаивания. Определены значения критической плотности и влажности грунта, при которых происходит их самопроизвольное разрушение и сплыв по обнажениям уступов, а также выявлены тенденции изменения физико-механических свойств пород в ходе современного криогенеза. Результаты исследований позволяют более обоснованно подходить к оценке прогноза формирования берегов, Проведены исследования могут быть использованы как при перспективном планировании, так и проектировании отдельных народнохозяйственных объектов в береговой зоне и берегоукрепительных мероприятий.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладыпал/сь на Всесоюзных совещаниях: "Изучение берегов сибирских водохранилищ" (Иркутск, 1980), "Инженерная геология ледохранилищ" (Дивногсрск, 1985); Научно-практических конференциях: "Прикладная геоморфология

6 г

и неотектоника юга Восточной Сибири" (Иркутск, 1988), "Проблемы инженерной геологии водохранилищ Сибири" (Братск, 1990), "Инглнерн-но-геокрнологические проблемы Забайкалья" (Чита, 1990), а также на IX и XI конференциях молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири (Иркутск, 1980, 1984),

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, ше^ти глав и заключения, изложена на 136 страницах машинописного текста, включает 19 таблиц, 24 рисунка. Список литературы содержит 68 наименований.

Исследования проводились под руководством доктора геолого-ии-нералогических наук Ф.НЛещикоаа, которому автор выражает искреннюю признательность. Улучшению содержания работу способствовали ценные советы и замечания доктора геолого-минералогических наук Т.Г.Рщенко, кандидата геолого-минералогических наук В.МЛиннина и кандидата географических наук В.В ¡^Кравченко, которым автор приносит сердечную благодарность. Автор благодарен Малышевой Л,В., Даниловой Т.Ф., Нетесовой Г.И. за проведение лабораторных работ и Середкиной Н .В. за помощь в техническом оформлении работы,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Физико-географические условия района исследований

Гидрометеорологические условия на береге" Иркутского и южной части Братского водохранилищ во многом сходки, однако в пределах того или иного района отдельные их параметры от года к году значительно изменяются. Среднегодовая температура воздуха в южной части Братского водохранилища на 1-2°С ниже, чем на Иркутском и составляет - 3,0-3,6°. Первые заморозки.наблюдаются 4-9 сентября. Переход к отрицательной температуре воздуха (ст. Усть-Уда, Бала-.; ганск) на Братском водохранилище отмечается8 середине октября, а по станциям на Иркутском водохранилище на 2-8 дней позже. Наступи леше устойчивых морозов в окрестностях Иркутска устанавливается обычно в первой декаде ноября, а ледостава - в конце ноября - начале декабря (Метеорологический ежемесячник, вып. 22»-1975-1982г.г.\ Устойчивый период с отрицательной температурой воздуха ¿¡оставляет 90-100 дней и длится до конца марта. Разовые оттепели набладаются и декабре и феврале. С 18-30 марта ^о Г1-1С апреля действует пе- I риод циклических переходов температуры воздуха через 0°С., а осень» он отмечается с 12-20 октября по 2-10 ноября.

В течение года выпедлег от £99 до 421. мм атмосферных осадков. . Из нич четг ртая часть приходится'на твердые осадки.'Берега Брате-

?

кого водохранилища покрываются снегом во второй или третье декаде октября, а Иркутского в конце октября начале или середине ноября. Продолжительность его залегания составляет I28-IG0 дней. Высота снега к марту достигает 28-58 см. Бровки и стенки высоких береговых уступов ие покрываются снегом. Под влиянием ветра снег накапливается в нишах, ложбинах, у подножья вогнутых частей берега, перекрывая низкие (менее 2 м) уступы иногда на всю высоту (урове: > водохранилищ высокий с 1983 г.).

Рельеф территории побережья южной части Братского водохранилища <от с.Заславская до с.Середкино, включая Осинский залив) и Иркутского водохранилища в основном пологе-олмистый с протяженными водораздельными склонами.а также пологими площадками ангарских террас, сложенных распадками, падями и оврагами. Берега имеют извилистый характер.

Объёктамй исследования служили береговые уступы по расшире— ниш водохранилищ (береговые склоны разной экспозиции, задернован-йости,крутизны), Ус+упы сложены лессовидными суглинками и. супесями палевого цвета;. Они подстилаются аргиллитами, алевролитами и песчаниками кембрийского и юрского возраста, а также карбонатными и сульфатными породамии гравийно-галечными отложениями террас (Логачев и др., 1964). Гранулометрический состав лессовидных пород отличается большой неоднородностью, высокой микроагрегатив-ность» и пылеватостью частиц (Ряценко, 1968, 1984). На крутосклонных участках берега могут преобладать частицы мзлкопесчанистэй фракций,■Наибольшая неоднородность характерна для пылеватой, а наи.геньиая - для глинистой фракции. Структур пород преимущественно зернисто-агрегап.^иал й мелкокомковатая. Текстура пород микро -и скрытослоастая, реже массивная со столбчатой отдельностью. Подземные воды не имеют выхода на дне. нуп поверхность а находятся в тесной зависимости от уровня водохранилища. При высоком уровне происходит капиллярное наекцение пород влагой, находящихся в подножье уступов. Высота капиллярного поднятия влаги в лессовидных породах к началу зима достигает 1-2 м,

2. Температурный режим и особенности промерзания и оттаивания лессовидных пород с береговых уступах

температурой режим" лессовидных пород в береговых уступах характеризуется большой изменчивостью во времени и по глубине. Число днсЛ с температурой при которой происходят фазовые перехода влаги в грунтах колеблется от 68 до 126 pao в год. Особенностью • температурного режима пород в обнажениях берегов южной оксооза-

ции являются случаи зимнего оттаивания их поверхностного слоя (до 4 см). При резком понижении температуры воздуха в приповерхностном слое пород у бровки уступов создаются высокие градиенты температуры (до 0,17-0,21 град/см). В мерзлом слое пород с глубиной его значение уменьшается примерно вдвое через каждые 50 см (при подрезке склонов).

Промерзание и оттаивание слабовлажных грунтов в верхней части уступов происходит более интенсивно и на большую величину» чем с поверхности береговых 'склонов* тогда как в подножье уступов, в зоне капиллярного насыщения водой, они .замедлены. Глубина промерзания пород по мере возрастания высоты уступов увеличивается. Максимальное ее значание на Якутском водохранилище отмечается в апреле (2,2 м), а в г -яой части Братского - в начале мая (3,2 м). Мощность мерзлой зоны в подножье уступов, лишенных контрфорса в виде осыпей невелика и составляет 0,2-2,2 м. Грунты вогнутой части уступов в профиле береговой линии со стороны обнажений промерзают меньше, а по выступам больше. Разница в глубине промерзания таких участков, в условиях ветро-волновой подрезки, достигает I м. .

К началу теплого периода (середине мая) глубина оттаивания пород в уступах составляет 0,1*0,9 м. Полное их оттаивание на га- ; ных склонах наблюдается в июне, северных - на Месяц позже. Оттаивание с поверхности стенок уступа, по мере отступания бровки, носит импульсивный характер, '

3. Изменение влажности промерзающих и оттаивающих грунтов в береговых уступах ангарских водохранилищ

В слое сезонного промерзания и оттаивания лессовидных пород происходит существенное перераспределение влаги, ведущее к значительным физико-механическим л физико-химическим преобразованиям пород. Криогенная миграция влаги я'1петсп важнейшей составляющей криогенеза. В условиях подрезки склонов при подъеме уровня водохранилищ до ШГ (нормального подпорного горизонта) или близких к нему отметок, формируются крутые береговые уступы, в пределах которых значительно усиливается составляющая влагопереноса,

У бровки уступа наиболее значительные изменения влажности от 16 до 42 % отмечаются в верхнем 30-60 см слое под дерново-почвенным горизонтом. Уменьшению влажности грунта зимой обычно способствует небольшая мощность снежного покрова у бровки уступов. В мерзлых супесях влажность может снижаться до 4-8 %, в суглинках, имеющих тонкоплитчатую текстуру в подогаве сезонномерзлого слоя, повы-

?

шаться до 29-31 %. Влажность у фронта промерзания пород повышается, а с удалением от него в глубь уступа - уменьшается на 2-4 %.

Лессовидные породы п средней части уступо1 на высоте более 2,5 м от подножья характеризуются небольшой естественной влажностью (14-21 %). Различия.ее значений в мерзлом и талом состоянии пород редко превышает 2 %. Однако, у поверхности стенки уступа (в 2-5 см) и у границ промерзания и протаивания суммарная влажность мерзлых пород за счет образования микрослойков льда и льда цемента может увеличиваться до 30-42 %. Зимой в результате процесса сублимации верхний обнаженный слой пород по стенкам уступов и бортам полых трещин становится до 5-7 см воздушно-сухим.

Влажность пород у подножья уступов в толще капиллярного насыщения влагой составляет 22-36 %. В результате криогенной миграции влаги и образования слоистой криогенной текстуры пород суммарная влажность у фронта промерзания резко повышается (до 60-89 %).С поверхности стенок уступов (до 3 см) влажность пород в результате процесса сублимации уменьшается до 4-12 %. Наиболее существенное перераспределение влаги при более резких термоградиентных условиях происходит, на высоте 1,1-2,5 м от основания уступов у вершин капиллярной каймы. За весенний период у границы промерзания капиллярно насыщенной толщи пород формируется достаточно мощный (1-3 см) ледяной шлир, простирающийся параллельно обнажению уступа. Ниже границы грунт иссушается до значения влажности на пределе пластичности.

В уступах малой высоты (-.о. 2 м) слой слабовлажньгх пород отсутствует» Предзимняя влажность лессовидных пород в основном соответствуем ее значениям метвду нижним и верхним пределами пластичности. К концу зимы в некоторых слоях мерзлых пород она увеличивается более чем в два раза. На увеличение влажности город с поверхности обнажений и по трещинам весной большое значение оказывают заносы снега.

4. Изменение строения и состава лессовидных пород в береговых уступах в ходе криогенеза

Некоторые исследователи (Воскресенский, 1971; Сергеев, 1972 и др.) рассматривают выветривание пород по взаимосвязи с денудацией, как саморегулируемую систему. Наиболее показательными в этом плане являются береговые уступы, сложенные рыхлыми породами, как наиболее диг^мичные природно-техно генные объекты, по отвесным обнажениям которых получают бурное развитие как абраяия и денудация,

так и выветривание. При неравномерном промерзании-оттаивании лессовидных пород в береговых уступах, в результате миграции влаги и льдообразования происходит кх текстурное преобразование, изменение гранулометрического и химического состава, водно-физических и механических свойств с неодинаковой степень» в разных по высоте уступа местах.

Отличительной особенностью криогенеза пород на берегах водохранилищ является го, что формируются в основном вертикальные, а не горизонтальнее, как обычно, ледяные шлиры. Они развиты преимущественно в обнаженной, после подрезки склонов (при высоком уровне водохранилищ), толще лессовидных пород капиллярного увлажнения, ранее неподверженных промерзанию. Криогенное строение лессовидных пород на берегг х в занчитеяьной мере зависит от высоты уступов и уровня »ода в водоеме. При пръиераанаи капиллярно увлажнённой толщи грунта ненарушенного сложения в подножье уступов формируются разного типа слоистые криогенные текстуры пород с высокой суммарной влажностью.

Важной структурной частью мерзлых пород, наряду с сегрегационным льдом (шлирами льда), являются кристаллы льда игольчатого и призматического типа, которые при их скоплении составляют ряды в виде щетки. Оки развиты у подножья уступов в полостях трещин между . плоскостями отдельностей пластин и тонких блоков грунта. В невысоких уступах и с подошве сезонно-мерзлого слоя породы, зачастую, приобретают плитчатую ч^кстуру за счет формирования слоисто-сетчатых криотекстур.

Изменения в гранулометрическом составе чаще связано с увеличением пылеватости при физическом выветривании поверхностных слоев лессовидных пород, особенно в толще капиллярного увлажнения, и происходит при уменьшении содержания мелкопесчанистой фракции. В составе пород относительно устойчивыми и однородными являются частицы наиболее крупных и мелких фракций грунта.

В результате промерзания-оттаивания лессовидных пород в обнажениях уступов происходит существенное изменение микроагрегаткости. Коэффициент микроагрегатноети пород слабовланкой толщи за зимне-ве- : сенний сезон возрастает, а в приповерхностном слое толщи капиллярного насыщения влагой - уменьшается. В слое многолетнего промерза- . ния-оттаивания у бровки уступа его значения максимальные (20,124,1).

При современном криогенезе лессовидных пород в обнажениях береговых уступов наиболее существенное изменениехимического состава

и

связано с содержанием' карбонатов. На стадии формирования слоистых криогенных текстур пород содержание карбоната кальция изменяется слабо, а на стадии их деградации при иссушении грунта в ходе сублимации - значительно убывает.

5. Изменение водно-физических и механических свойств пород при криогенезе

Отвесные береговые уступы способствуют усилению криогенных преобразований пород, особенно находящихся а условиях подтопления при высоком уровне водохранилищ. В результате циклического прсмераания-оттаивания лессовидных пород происходит весьма значительное иеме-нение ряда водно-физических и механических свойств. Наиболее существенному преобразованию подвергаются породы с поверхности отвесных обнажений и у границы раздела мерзлой-талой зон.

В условиях циклического промерзания-оттаивания плотность лес- • совидных пород на берегах в основном уменьшается, а период формирования криогенного строения пород быстро сменяется их разрушением. На поверхности обнажения при оттаивании, криогенное строение пород, находящихся в толще капиллярного насыщения влагой, самопроизвольно разрушается после разуплотнения скелета мерзлого грунта до 0,69г/смл кристаллами льда игольчатого и призматического типа. На стадии формирования слоистой криогенной текстуры отмечается разуплотнение скелета грунта и некоторое его пучение. В ходе естественного морозного высушивания слабовлажных пород с поверхности обнажения, мощностью до 5-9 см, интенсивность водоотдачи преобладает над разуплотнением и происходит самоупрочнение пород лессовидного типа.

Лессовидные породы в береговых уступах характеризуются высокой пористосыо, значение которой наиболее изменчиво в слое сезонного промерзания (верхней части уступов) и колеблется в пределах 30-53 %, После нескольких циклов промерэани?--оттаивания ранее непроморожен-ных в подножье уступов пород пористость незначительно возрастает, а летом внутри блоков грунта,как правило, уменьшается.

Число пластичности лессовидных пород на участках наблюдения колеблется от О до 12,4. В большинстве случаен оно составляет 3-7 и попадает в разред -супесей, тогда как по гранулометрическому составу отложения относятся к суглинкам лылеватым, что объясняется их высокой микроагрегаткостью '(Рнщенко, 1904). На берегах Иркутского водохранилища влажность на пределе пластичности пород достаточно . высока- - 22,0-30,4. Значение влажности на пределе текучести- достигает 27-39 В южной части Бр\тс;;ото водохранилища, влажность шгч-ного предела пластичности лкссе&иднык пород белно или»ичи1ш и

колеблется от 17,1 до 30,1 %. Пределы пластичности пород в подошве уступов толщи капиллярного насыщения влагой обычно больше, чем в средней, слабовлажной его части. Экстремальные значения верхнего предела пластичности составляют 22,7-34,8 %. Увеличение числа пластичности с глубиной не происходит.

Скорость размокания лессовидных пород, характеризующихся высокой микроагрегатностыо, весьма значительная и составляет 2-3 минуты. В ряде случаев время размокания пород замедлено до суток и более.

Влажность набухания лессовидных пород колеблется в среднем в пределах 37—42 56» Оти чается тенденция возрастания до максимума (47 %) величины набухания пород у границы раздела мерзлой-талой зон в подножье уступов, которые ранее ие подвергались промерзанию. На Бра гком водохранилище лессовидные породы в береговых уступах более влагоемки, чем на Иркутском, а значения полной влагоемкости более изменчиво и составляет 16,7-39,4 % (при более резком термоградиентном режиме). • .

Лессовидные породи на берегах Иркутского и южной части Братского водохранилищ в условиях ветро-золновой подрезки относ«гея к среде и и слабосжимаемому типу, В береговых уступах наиболее сильно сжимаемой ках и просадочной толщей пород является слой многолетнего попеременного промерзания-оттаивания, который на радных участках берега находится на глубине 1-3 м. Коэффициент сжимаемости лессовидных пород эдес:. достигает 0,063-0,089 ЫПа, а. коэффиц иент относительной прос&цочности - 0,027-0,036.

В исследуемом районе коэффициент сдвига пород в береговых уступах колеблется от 0,03 до 0,13. При увеличении плотности скелета грунта наблюдается преимущественное уменьшение сцепления. Установлено, что сцепление кеподверженных промерзанию лессовидных пород в толще капиллярного насыщения на Иркутском водохранилище (соответствующее 0,05-0,1 ЫПа) после сезонного промерзания-оттаивания укеньяается примерно вдвое, В толще капиллярного насыщения, при . '. увеличении содержания карбоната кальция в породе с 22 до 28 сцепление увеличивается от 0,01 до 0,07 МПа. По мере увеличения содержания глиннстих частшг (данные дисперсного анализа) у вершин капиллярной кайми с 14 до 29.% сцепление возрастает (0,9-0,11 Ша).

Прочностные свойства лессовидных пород в береговых уступах в ходе современного криогенеэа ослабевают тем сильнее, чем породы более увлажнены, а их .термодинамическое-состояние более неустойчиво. При примерзании и оттаивании лессовидных'пгфод в глубине

уступа весной или ближе к его поверхности в начале зимы создается структурно ослабленной слой, обычно вытянутый параллельно обрывистой стенке уступа. Он приурочен к границе раздела мерзлой и талой зон породы и определяет развитие криогенных и сопутствующих им термогравитационных (обрушение, отседания, сплыви при оттаивании) процессов.

б. Влияние криогенных процессов и явлений на развитие берегов

Экзогенные геологические< криогенные)процессы в береговой зоне находятся в тесном взаимодействии. Криогенные и термогравитационные процессы н явления получают широкое развитие после образования отвесных обнажений в результате ветро-волновой подрезкн пород.

Развитие криогенных й термогравитационных процессов зависит от трещиноватости пород, обусловленной температурным и морозным растрескиванием, от соотновения глубины промерэа[шя и оттаивания, от характера увлажненности к льдистости пород и морфологического строения берега. Взаимодействие криогенных и термогравитационных процессов показано на схеме (табл. I).

В ходо современного криогенеза лессовидных пород на берегах происходит не только нарушение целостности массива, ко и интенсивное их переотложеиие на протяжении осенне-зимнего и зимне-весеннего периодов. Профиль береговых уступов под действием процессов крио-. гевезаформируется в определенной вромянной последовательности. Изменение иорфологаи берега прежде всего связано со стадийностью сезонного промерзания, которое имеет прерывистый характер, невы-деряано во времени (табя.2), в пределах года имеет необратимый характер. В начале стад; А неустойчивого промерзания развиты абраэи-спно-обвалькие я тердаабразиокные процессы, под действием которых формируются отвесило обнажения поро;; и ниши в береговых уступах. Криогенные процессы становятся господствующими в период образования ледостава (устойчивое промерзание) и распространены в подножьо и средней части уступов южной экспозиции. Б зимний период профиль уступов остается э большинства неизменным и характерен образованием морозобойных трещин у бровки и по обнажениям уступов, а также развитием сублимации льда, разовым отслаиванием, шелушением и-сколом мерзлых блочков грунта.

По мере частичного, оттаивания пород в апреле под действием сил тяжести происходит небольшое расширение имеющихся морозобойных тря-щин и в некоторых случаях образованием трещин разгрузки, что ведет к просадке передних блоков грунта.: На стадии неустойчивого оттаю»*-

. ' Таблица I

Схема развития криогенных и термогравитациоииых. процессов в лессовидных породах на берегах ангарских водохранилищ я связанных с кими проявлений

К Р И О Г Е НЕ 3

г—ц

Температурное выветривание

г—_1_1_

з&изику-мехаличвскиа процессы:

морозное растрескивание, пучение, температурные деформации, Дотирование криогенного строения пород, льдообразование

•.....■"::.; ..I..."_.—■

Криогидрацаонное выветривание

I

Физико-химические процессы: гри о генная миграция влаги, агрегация, коагуляция, отложение солей, абляция

Морозное выветривание

' 1 •■ :

Примечание. Схема составлена с использованием материалов Э.Д.Ершова и В.Н.Кокждева.

Таблица 2

Стадийность разрушения пород береговых уступов под влиянием сезонного промерзания-оттаивания (ккннй склон)

Стадии сезонного промерзаиия-от-таизания Месяцы года Соотношение глубины промерзания^ и и оттаивания ^ т. Преобладающие экзогенные : геологические и криогенные процессы а явления Место преимущест- . веяного распространения явлений в уступе

неустойчивого промерзания октябрь ноябрь % м « абразия, обвалы блоков, криогидратация отслаивание, сплыви'-,-„. оползания, термообразкя подножье, средняя чость подножье, средняя (части)

устойчивого промерзания декабрь-февраль ^м > ^т трещидообразоваяие, сублимация, шелушение, разовые отседания и скалы блоков верхняя, . средняя на высоте 2-5 и от подножья

неустойчивого оттаивания март термоэрозия, сублимация, отслаиванае, обвалы, дефляция ; верхняя, средняя часть

устойчивого стта"чания.- апрель май обрушения и проседания блоков, отслаивания, эрозиокко-обвальные явления верхняя, средняя часть

Полной деградации сеэоякс-иерзлиго слоя иаиь шаль ^М —«-■ 0 »м = 0 отседаяня блоков, обвалы блоков и карнизов верхняя часть

ния получают широкое распространение, особенно в местах скопления снега, процессы тормозрозии, отслаивания, сплыва й обваливания грунта, которые наиболее развиты в верхней и средней части уступов. Медленное оползание оттаивающего грунта по отвесной стенке уступа отмечено при елвжностк более 39 %.

Наиболее значительные морфологические изменения на берегах происходят при устойчивом оттаивании пород под дейсг ;лем термсгра-витационных процессов. При мощности слоя оттаивания пород в мае {0,7-1,4 м),сопоставимой с глубиной заложения морозобойных трещин по склону, у бровки происходит обрушение блоков грунта отчлененных этими трещинами. Обрушения особенно развиты по отнесдам обнажениям высотой более 4 м и распространены в верхней части уступов. Развитие обрушений грунта обусловлено соотношгниэм глубины оттаивания пород со стороны стенки уступа и глубины горизонтального заложения морозобойных трещин. Процессы весеннего обрушения пород обычно осуществляется в два-три приема, в результате которых обрывистая часть уступов высотой 4 м уменьшаетия к лету до 1-0,8 м, а на высоких уступах (10-14 м) до 3-5 м.

Под действием сезонного промерзания-оттаивания лессовидных пород в условиях подрезки и подтопления величина отступания бровки невысоких уступов за. весенний сезон может достигать 0,7-1,4 м, а уступов с высотой более 4 м - до 1,0-3,2 м, В масштабе объемов общей ежегодной переработки берегов в субаэральной асне вклад криогенных и теркогравитационных процессов колеблб.ся в широких пределах, При низком стоянии уровня водохранилищ объем лессовидных пород раз- • рушенных под действием криогенного фактора не превышает 1-10 %, а > при высоком - возрастает до 15-30 %, особенно на участках с нарушен- ' ной дерниной.

■ -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных исследований позволяют сделать некоторые вывода, определяющие теоретическое и практическое значение работа.

I. Особенностью современного криогенеза в лессовидных породах ; на берегах водохранилищ в условиях подрезки и глубокого сезонного промерзания является то обстоятельство, что в береговых уступах горизонтальная составляющая тепло- и влагопереноса становится определяющей в развитии процессов промерзания-оттаивания и миграции .влаги, что способствует не только существенному криогенному преобразованию лессовидных пород, но и провоцирует развитию криогенных и термогравитационных процессов и становится важным берегоформирую-

цш фактором (уступи сложены лессовидными породами на всю высоту).

2. Интенсивность промерзания и оттаивания пород в береговых уступах значительно выше, а глубина промерзания больше, чем в обыч-шк условиях С поверхности склона. Максимальное значение градиента температуры в мерзлых породах создается у бровки отвесных уступов (до 0,21 град/см), что способствует образование мерозобойных трещин, развитых более на поверхности склоноз с ненарушенной дерниной и по обнажениям.лессовидных пород.

3 .Пр',1 промерзании пород ы береговом уступе, миграция влаги осуществляется из глубины уступа к поверхности обнажения и создает дополнительное пригружение передним от бровки.блокам грунта, и достигает 100-400 кг на погонный метр блока. Приращение влажности в породах после их промерзания наиболее существенно у гр^-мцы промерзания. Глубокие трещины по склону становятся зонами водснасыще-кня или иссушения, а их образование при отседании блоков соьпядает с областью развития морозобойкых трещин.

4. Формирование отвесных береговых уступов является определяющим условием для образования слоистых криогенных текстур с редкой

в естествинкых условиях вертикальной ориентировкой прослойков льда. Они наиболее распространены г толгдз капиллярного увлажнения пород у подножья уступов и по местам развития термоэрозии на поверхности обнажения, и способствуют более интенсивному развитию отслаиваний, оползаний и сплывов грунта при оттаивании (термоденудационных проц.).

5. Современное преобразование в гранулометрическом составе лессовидных пород при выветривании наиболее заметно в поверхностном слое береговых уступов и связано с увеличением пылеватости, при некотором сокращении мелкопесчанистой и глинистой фракции, а наиболее существенное изменение в химическом составе в этом слсе при иссушении пород - с уменьшением содержания карбоната кальция. В результате выветривания водснасыщенного грунта происходит существенное разуплотнение скелета грунта приповерхностного слоя и быстрое его разрушение с достижением критической плотности (0,69 г/см3). Формирование ледяного мира (мощностью до 3 см) у границы промерзания с одной стороны и разуплотнение грунта ниже границы -образуют структурно ослабленный слой на разделе мерзлой-талой зон грунта, по которой происходит заложение трещин отседания и поверхностей обрушения блоков. Просадочность и сжимаемость лессовидных пород здесь также выше. Глубина горизонтального заложения блоков грунта достигает 2,7 м.

18 '

6. Под действием термоденудационных и термогразитационкых процессов, развитых в условиях подрезки и подтопления толщи лессовидсах пород в береговых уступах, лишенных контрфорса, профиль уступов ыо-тет пройти стадии развития от отвесного в начале зимы до быпсложенного при некотором выравнивании линии берега весной.. В большей мере ото характерно для уступов с нарушенной у бровки дерниной. Причем механизм разрушения уступов действует (в период морозного разрушении и переотложения масс грунта) от подножья к бровке. В годы низкого стояния уровня водохранилищ положение профиля береговых уступов стабилизируется после накопления масс грунта в форме шлейфов осыпей,-

7. Величина весеннего отступания верхней части уступов высотой 4-12 м, сложенных лессовидными породами, вследствие развития процессов криогенеза в годы с высоким стоянием уровня воды водохранилищ, достигает 1,0-3,2 м за сезон, что составляет 15 % и более от общего отступания бровки береговых уступов за год. Величина линейного'отступания бровки уступов в основном равняется глубине сезонного промерзания пород со сторода обнажения.

8. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для выбора строительных площадок на участках берега наименее подверженных термогравитационным процессам, а знание масштабов и механизма разрушения лессовидных пород в период их оттаивания под действием процессов промерзания-оттаивания и гравитации, после периодической подрезки уступов при высоком уровне водохранилищ, позволит избежать многих ошибок при строительстве и оксплуатации берегозащитных сооружений и других народно-хозяйственных объектов, а также предупредить распространение нежелательных последствий.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: . .

1. Формирование отмелей, сложенных суглинками на Братском водохранилище/ /Пятое совещание по изучению берегов сибирских водохранилищ.- Иркутск, 1980,- С. 73-74. .

2. Морозное выветривание береговых уступов, сложенных суглинками на Иркутском водохранилище//Одиннадцатая конкуренция молодых' научных сотрудников (Тезисы докладов).-Иркутск, 1384,- С.134-135.

? О темпах отступания бровки бевеговых уступов на Братском водохранилище//Одгамадцатая конференция молодых научных сотрудников (тез.докладов).-Иркутск, 1934.- С. 135-136.

проблемы конкретных наук.-Новосибирск: Наука, 1583.- С. 96-10?.

5. Формирование береговых уступов в лессовидных суглинках/ХТех-ногенные изменения геологической среды,- Иркутск, 1960.- С. 14-21.

6. Формирование профиля береговых уступов Иркутского водохранилища при промерзании и оттаивании//Неотектоника юга Восточной Сибири (тез.докладов).- Иркутск, 1988,- С. 53-5?.

7. Разрушение берегов ангарских водохранилищ в криолитозоне //Формирование берегов Ангаро-Еннсейских водохранилищ,- Новосибирск: Наука, 1988.- С, 03-65 (В соавторстве с Ф.Н.Лещиковым).

8. Изменение плотности лессовидных суглинков в ходе криогенеза. на берегах Иркутского водохранилища//Лессовидные прссадпчные грунты, как основания зданий и сооружений,- Барнаул, 1990,- С, 58-60.

9. Влияние криогенеза на морфологическсе строение берегов ангарских водохранилищ/Д!атериалы научно-практической конференции.-Чита, 1992.- С. 161-163.

10. Криогенные явления на берегах ангарских водохранилища/География и природные ресурсы, К 2, 1992,- С. 96-102.

Отпечатано в ИЗК СО РАН эпказ ¿32 тирпж 100