Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

Изучение строения тела оползня в парке Коломенское в Москве

Волков В.А.1, Тихонов А.В.1, Моисеенко С.А.1, Калинина А.В1., Аммосов С.М.1, Волков Н.В.1, Миронов Н.А.2

(1-Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, 2-ФГУП "ИМГРЭ", г. Москва)

 

Рассмотрена методика изучения строения тела блокового оползня, находящегося в активном состоянии, на примере одного из оползневых участков г. Москвы. Совместный анализ результатов инженерно-геологических изысканий, геофизических исследований и высокоточного мониторинга позволил получить новые данные о строении изучаемого оползневого склона как в разрезе, так и в плане. Ключевые слова: оползень, оползневый блок, мониторинг, инклинометрия, поверхность скольжения.

Введение

Изучаемый оползень расположен в парке Коломенское на правом берегу р. Москвы, между институтом ВНИИХТ и заводом полиметаллов. Протяженность его вдоль склона составляет около 650 м, максимальная ширина – 265 м. Поверхность земли на участке спланирована, задернована, поросла редкими деревьями и кустарниками.

В геоморфологическом отношении здесь выделяются три элемента рельефа: водораздельное плато, надоползневой уступ и собственно оползневой склон, представленный амфитеатром глубоких оползней выдавливания, связанных с деформированием юрских глинистых отложений.

Данный оползневый склон является по-своему уникальным. Среди всех московских оползней он испытал наибольшие техногенные нагрузки, как положительные (два комплекса противооползневых мероприятий), так и отрицательные (строительство двух очередей канализационных коллекторов и их разрушение, сопровождавшееся утечками; отвалы грунта и строительного мусора в головной части оползня).

В 2003-2006 гг., после аварии на правобережном Чертановском коллекторе в 2001 г., по заказу ГУП "Мосводоканал" и ООО "Институт "Каналстройпроект" на участке были проведены инженерно-геологические изыскания и организован высокоточный комплексный инструментальный мониторинг. Целью исследований являлось определение глубины поверхности скольжения для последующего проектирования канализационного коллектора в несмещаемых грунтах.

В состав изысканий, помимо стандартных методов, вошли геофизические, в частности многоволновая разноазимутальная сейсморазведка. Мониторинг включал в себя инклинометрические и геодезические наземные и спутниковые наблюдения. Комбинирование нескольких методов при изысканиях и мониторинге позволило не только определить глубину поверхности скольжения и динамику смещения массива, но и его структуру.


Методика определения структуры оползневого массива

Прежде чем говорить о методике исследований структуры оползня, необходимо отметить, что данный оползень по механизму смещения относится к оползням выдавливания, его тело имеет блочное строение, следовательно – определение структуры сводится к выделению оползневых блоков, их пространственных границ и геологического строения, а также глубины поверхности скольжения.

Определение глубины поверхности скольжения

Инклинометрия является прямым скважинным методом определения глубины поверхности скольжения, может производиться как в стальных трубах, так и в пластиковых, в зависимости от модели прибора. Суть метода заключается в определении искривления обсадной колонны скважины, возникающего в результате смещения оползня. Для этого скважина бурится глубже предполагаемого ложа оползня на 3-5 м. Скважиные измерения проводятся дискретным методом пошаговым опусканием зонда на фиксированное расстояние, которое колеблется от 2,0 м до 0,5 м в зависимости от модели прибора.

Инклинометр позволяет определять пространственное положение скважины до глубины 100 м с погрешностью в пределах 1-2 мм. Соотвественно точность определения глубины поверхности скольжения равна интервалу между измерениями [2, 4].

Поверхность скольжения оползня может быть также установлена методом деформационного нивелирования, использующим данные геодезических наблюдений за движением деформационных пунктов на поверхности земли [5].

В основу метода положена гипотеза об идентичности траекторий движения точек на поверхности земли и в глубине оползневого тела. Тогда векторы смещений деформационных пунктов, полученные из геодезических измерений, интерпретируются как касательные к соответствующим точкам поверхности скольжения. Данные от множества пунктов, расположенных на оползне, позволяют моделировать всю поверхность скольжения или её отдельные участки.

Выделение оползневых блоков

Для выделения оползневых блоков традиционно используются два метода: геоморфологический и геологический.

Геоморфологический – наиболее быстрый, основан на выделении блоков, главным образом, по буграм и западинам, выделяемым на дневной поверхности. В процессе движения блока вниз по склону, он запрокидывается в сторону склона, образуя оползневые бугры и западины (рвы). Бугор и западина являются соответственно началом и окончанием блока.

Геологический метод более трудоемкий, поскольку требуется пробурить скважины, которые должны вскрыть ложе оползня.

До начала развития оползневого процесса породы, слагающие склон, залегали почти горизонтально (прежде всего, это касается глин). Отделение и последующее смещения оползневых блоков, сопровождающееся вращением, являются причиной изменения залегания стратиграфо-генетических комплексов – слои запрокидываются. По этой причине абсолютные отметки кровли (иногда и подошвы) того или иного слоя в скважинах, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, не совпадают. В процессе движения тело оползня испытывает и растяжение, и сжатие, что приводит к изменению мощности слоев, сложенных рыхлыми отложениями. Эти особенности геологического строения фиксируются при бурении, и по ним выделяются блоки. Например, если слои, которые залегают наклонно (уклон в сторону склона), образуют на разрезе выемку, то скорее всего на ее месте следует проводить границу между блоками. По мере приближения к реке угол наклона слоев увеличивается, поэтому в нижней части склона даже при одинаковых отметках кровли смещенного горизонта в соседних скважинах, иногда возможно провести границу между блоками. При построении разреза важно учитывать, что в пределах блока залегание слоев друг относительно друга не меняется. По разным причинам очень редко на один блок приходится более 1 скважины (чаще 1 скважина на 2 блока), поэтому при составлении геологического разреза у разных авторов количество блоков может сильно варьировать.

Геологические разрезы оползня в Коломенском, составленные разными авторами по одним и тем же материалам изысканий, существенно отличаются друг от друга, поэтому для его уточнения мы использовали данные геофизических исследований.

Для получения дополнительной информации о границах оползневых блоков были использованы результаты многоволновой разноазимутальной сейсморазведки (МРС). Методика МРС разработана в институте криосферы Земли СО РАН и предназначена для изучения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород в процессе развития экзогенных геологических процессов. Она основана на теоретических и экспериментальных зависимостях сейсмических характеристик от напряженно-деформированного состояния грунтового массива [6, 7].

Исходной информацией являются данные о временах распространения продольных и поперечных SH-волн, измеренных в точках наблюдения на постоянной базе по различным азимутам. Помимо скоростей сейсмических волн определялись производные сейсмические характеристики – коэффициенты анизотропии волн различных типов и коэффициенты Пуассона по различным азимутам.

Скоростная анизотропия является результатом неравенства напряжений, действующих в массиве в различных направлениях, а Кан является показателем относительного сжатия – растяжения внутри грунтового массива.

Коэффициент анизотропии Кан определяется как отношение скорости данного типа волн, измеренной по падению и простиранию склона. Относительному сжатию в направлении падения склона соответствуют значения Кан больше 1, относительному растяжению – значения Кан меньше 1. Таким образом, скоростная анизотропия отображает особенности  напряженного состояния массива. Необходимо отметить, что значения Кан, в отличие от скоростных  характеристик, практически  свободны от влияния вещественного состава исследуемых грунтов.

Коэффициент Пуассона m  рассчитывался по известному соотношению:

m = (vp2-2vs2)/2(vp2-vs2),

где vs - скорость поперечных волн, vp - скорость продольных волн.

Результаты исследований

Для выполнения поставленной задачи было выполнено:

- бурение и оборудование 9 скважин под инклинометрические наблюдения;

- геофизические работы;

- организована двухуровневая геодезическая наблюдательная сеть.

Плановая геодезическая сеть составлялась с учётом необходимости обеспечить СКП в положении пунктов не более 7 мм. Для реализации указанной точности на площади 15 га была создана двухуровневая геодезическая сеть, опирающаяся на два исходных пункта вне зоны предполагаемых оползневых подвижек.

Пункты первого уровня (10 шт) наблюдались статическим спутниковым методом (GPS). Для приёма сигналов использовались двухчастотные геодезические приёмники фирмы Trimble, обеспечивающие при благоприятных условиях в статическом режиме (за 1 час) среднюю квадратическую погрешность в положении пункта 5 мм. Для повышения точности спутниковых измерений в условиях полузакрытой местности время регистрации спутниковых сигналов составляло 6 часов, что позволило выйти на точности порядка 3 мм. Кроме того, для повышения точности использовались реперы принудительного центрирования.

Для повышения устойчивости наблюдательной сети и возможности независимой обработки плановой сети без учета наблюдений GPS в набережной на противоположном берегу р. Москвы были заложены 12 стенных наблюдательных марок.

Плановое положение каждого репера второго уровня определялось с 1-3 базисов опорной сети первого уровня методом полярных координат.

По результатам обработки наблюдений средняя квадратическая погрешность (СКП) положения координат пунктов сети не превысила 5 мм.

Для наблюдения за вертикальными смещениями оползневого массива использовались те же пункты, что и в плановой сети. Измерения производились с применением метода геометрического нивелирования I класса по замкнутым полигонам в соответствии с ГОСТ 24846-81 «Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений». Невязка в замыкании полигонов допускалась не более 1 мм.

Для определения глубины поверхности скольжения использовались различные методы.

Наиболее информативным методом определения глубины поверхности скольжения является высокоточная инклинометрия. Данный вид исследований позволил установить, что смещения происходят в толще оксфордских глин на глубинах до 30 м, причем в оползневый процесс вовлечены и келловейские отложения [1, 3].

Поверхность скольжения оползня также была построена методом деформационного нивелирования.

Контролем этого метода послужило сравнение его результатов с данными инклинометрических измерений высот поверхности скольжения по трем скважинам, расположенным в средней и нижней части оползня. Максимальное отклонение данных геодезического метода построения поверхности скольжения от инклинометрии составило 2 м, что подтверждает адекватность полученной графической модели. Аналогичные результаты были получены по другим профилям.

Благодаря высокой точности определения координат и высот геодезических пунктов наблюдения и относительно равномерного их распределения по площади изучаемого оползня удалось построить план поверхности скольжения.

Для определения границ оползневых блоков и построения геологического разреза были использованы результаты инженерно-геологических изысканий и МРС.

Геофизические исследования были выполнены ИКЗ СО РАН на 7 профилях, как на оползневом склоне, так  и на незатронутой оползневыми смещениями части плато.

Помимо скоростей сейсмических волн определялись производные сейсмические характеристики – коэффициенты анизотропии волн различных типов и коэффициенты Пуассона по различным азимутам.

В результате были выделены ослабленные зоны, которые  связаны с выходом на дневную поверхность существующих поверхностей смещения, разделяющих оползневые блоки. Эти зоны, по которым уже происходили смещения, выделяются с помощью всех используемых сейсмических характеристик.

Полученные результаты были сопоставлены с результатами бурения, что позволило построить новый геологический разрез (рис. 1). При его построении было использовано 13 скважин, в том числе архивных.

Геологический разрез оползня в Коломенском 

Рис. 1. Геологический разрез оползня в Коломенском

В геологическом строении района исследований участвуют породы четвертичной, меловой, юрской и каменноугольной систем.

Из числа современных отложений, слагающих плато, наиболее молодыми являются современные техногенные отложения (tH), которые встречаются в пределах застроенных участков плато. Они представлены разнообразными литологическими разностями с большой примесью строительного и бытового мусора. Мощность отложений составляет несколько метров.

Из современных отложений наиболее широко распространены аллювиальные отложения (aIV), представленные песками коричневыми, глинистыми, вскрыты в скважине 24. Мощность песков 1,3 м.

В пределах плато встречаются покровные суглинки (pr III-IV) серовато-желтые, пылеватые, мощностью до 4,0 м.

Неповсеместное распространение в пределах данного участка имеют отложения московской морены (gIIms). Морена представлена суглинками тугопластичными, рыжевато-желтыми, мощностью до 5 м. Залегающие ниже сетуньско-донские отложения (f,lgIst-dns), представленные разнозернистыми песками и суглинками, серовато-зелеными, с галькой и гравием. Мощность этих отложений колеблется от 1,5 до 9,0 м.

Под четвертичными отложениями залегает мощная толща пород меловой и юрской систем.

Нерасчлененные оползневые отложения волжского яруса верхней юры и нижнего мела (dpIV(J3v+К1)), представленные песками мелкозернистыми, зелеными, глауконитовыми, с прослоями глинистых брекчий. Вскрытая мощность отложений 6 - 15 м.

Под песчаной толщей меловых и юрских пород залегают нерасчлененные оползневые отложения оксворд-киммериджского времени (dpJ3ox-km), представленные глинами темно-серыми с зеленоватым оттенком, глауконитовыми, брекчиевидными. Оползневые отложения не выдержаны по мощности и простиранию. Мощность их изменяется от 3,6 м до 11 м.

Ниже залегают отложения оксфордского яруса (J3ox), также распространенные повсеместно. Данные отложения являются основным деформирующимся горизонтом и представлены глинами тугопластичными, полутвердыми и твердыми, темно-серыми с коричневатым оттенком, жирными, с прослоями брекчий, с зеркалами скольжения, с фауной аммонитов и раковинного детрита. Прослои брекчированных обводненных глин встречаются по всей мощности оползневых отложений. Характерно увеличение мощности глин оксфордского яруса около р. Москвы. Абс. отм. их кровли изменяются от 109 м до 123,9 м. Мощность изменяется от 6,2 м до 21,8 м.

На неровной поверхности карбонатных пород подольско-мячковского горизонта среднего карбона (С2pd-) со стратиграфическим несогласием залегают отложения келловейского яруса средней юры (J2k), представленные в основном глинами твердыми, темно-серыми с зеленоватым оттенком. В скважине 25 встречены прослои глинистых обводненных брекчий, что может указывать на оползневые смещения. В скважине 24 в келловее вскрыты глины черные  углистые, а в интервале 30-32 м прослой угля. Абсолютные отметки кровли яруса изменяются на участке от 97 м до 106 м. Мощность глин келловейского яруса изменяется от 0 м до 11,7 м.

Согласно полученным данным тело оползня состоит из 5 блоков длиной по оси смещения от 20 м (самый верхний) до 76 м. Средняя длина блока по оси смещения составляет 48 м.

Тело оползня разбито на оползневые блоки, в которых сохраняется последовательность стратиграфического напластования, но слои запрокидываются в сторону плато. Смещениями были захвачены четвертичные, меловые и юрские отложения и, в том числе, на отдельных отрезках склона породы келловейского яруса.

 

Заключение

В результате проведенных исследований с помощью комплекса методов была установлена структура оползневого массива в Коломенском, как в разрезе, так и в плане. Наряду с материалами инженерно-геологических изысканий были проанализированы данные высокоточного мониторинга оползневого склона (геодезические и инклинометрические наблюдения), а также результаты геофизических исследований. Это позволило выделить 5 оползневых блоков, смещающихся по единой поверхности скольжения, расположенной, преимущественно в оксфордских глинах, с захватом келловейских, на глубине до 30 м.

Средняя скорость смещения, определенная по данным геодезических и инклинометрических наблюдений, составила 30-50 мм/год. При этом впервые были замерены сезонные колебания скорости смещения оползня выдавливания в г. Москве.

По результатам выполненных изысканий и мониторинга было принято решение об отказе прокладки коллектора в Коломенском и строительстве нового коллектора по трассе, параллельной Южному коллектору, в районе Борисовских прудов, как наиболее безопасной.

Литература

  1. В.А. Волков, А.С. Алешин, О.Н. Галаганов, В.Н. Леонтьев, С.А. Моисеенко, Г.П. Постоев, А.Г. Скворцов. Новый метод комплексных геолого-геофизических исследований при инженерно-экологических изысканиях в оползневой зоне. Сергеевские чтения. Инженерно-экологические изыскания в строительстве: теоретические основы, методика, методы и практика. Вып. 8. М.: ГЕОС, 2006 г. – с. 210-214.
  2. В.А. Волков, В.И. Леонтьев, Ю.Л. Долбилова, А.В. Сбитнев, Д.Д. Латышев, А.А. Четверикова. Использование высокоточного скважинного инклинометра для изучения оползневых процессов. //Информационный сборник. Уникальные и специальные технологии в строительстве. 2006, №1 (6). – с. 102-105.
  3. Волков В.А., Алешин А.С., Моисеенко С.А., Дубовской В.Б. Мониторинг оползневых процессов на объектах повышенного геоэкологического риска. /Инженерные изыскания в строительстве. Материалы Третьей Общероссийской конференции изыскательских организаций. - М.: ОАО «ПНИИИС», 2008. - с. 209-214.
  4. Волков В.А., Моисеенко С.А. Высокоточная инклинометрия на оползневом участке Воробьевых гор. Инженерные изыскания в строительстве: Материалы Пятой Общероссийской конференции изыскательских организаций. – М.: ОАО «ПНИИИС», 2010. – с. 23-26.
  5. Кузнецов А.И., Моисеенко С.А., Волков В.А. Опыт использования данных геодезического мониторинга для построения поверхности скольжения оползня // Инженерные изыскания. 2011. №2. – с. 56-59.
  6. Скворцов А.Г., Дроздов Д.С., Малкова Г.В., Сметанин Н.Н., Украинцева Н.Г. Мониторинг напряженно-деформированного состояния берегового склона на геокриологическом стационаре "Болванский" с помощью сейсморазведки. Криосфера Земли, 2006, т.Х, №2, с.46-55.
  7. Скворцов А.Г., Дроздов Д.С., Царев А.М. Современные сейсмические методы изучения склоновых процессов //Инженерная геофизика - 2005. Геленджик, Изд-во МГУ, 2005.  – С.216-218.

 

Ссылка на статью: Волков В.А., Тихонов А.В., Моисеенко С.А., Калинина А.В., Аммосов С.М., Волков Н.В., Миронов Н.А. Изучение строения тела оползня в парке Коломенское в Москве.// Разведка и охрана недр. 2012, №7, с.22-26. 

 Об особенностях механизма оползневого процесса читайте в этой статье.

 

Главная-->Статьи-->Оползень в Коломенском, Москва