Проекты: Природное обоснование мероприятий противооползневой защиты по трассе совмещенной дороги Адлер–Красная Поляна

Авторы:

Юрий Мамаев
Кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН Института геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Алексей Ястребов
Кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник ФГБУН Института геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы практической реализации мер противооползневой защиты по трассе совмещенной дороги Адлер–Красная Поляна на территории Большого Сочи в Краснодарском крае РФ. Дается характеристика сложных и изменяющихся от участка к участку инженерно-геологических условий территории, параметров и факторов развития оползней. В рамках проблемы управления природными рисками подчеркивается важность районирования территории и ранжирования отдельных оползневых участков по степени оползневой опасности и риска, организации комплексного геотехнического мониторинга, разработки локальных мер инженерной защиты при достаточном финансовом обеспечении работ.

При подготовке к зимней Олимпиаде в Сочи 2014 года одной из первостепенных задач было создание транспортной инфраструктуры, которая бы связала основные спортивные объекты в единую сеть. Совмещенная скоростная трасса по маршруту Адлер–Красная Поляна стала настоящим вызовом для проектировщиков и строителей. Автомобильная и железнодорожная магистрали протяженностью свыше 48 км были проложены по сложному участку, что потребовало сооружения многочисленных насыпей, тоннелей, мостов и эстакад. Перед специалистами стояла комплексная задача — выявить и обосновать природные риски, предусмотреть средства инженерной защиты и наладить постоянный мониторинг опасных процессов.

Совмещенная (железная и автомобильная) дорога от Адлера до горного кластера спортивных и рекреационных объектов на Красной Поляне является одним из самых дорогих и рентабельных сооружений, обеспечивших успешное проведение олимпиады Сочи-2014.

Сооружения дороги: насыпи, эстакады, мосты, тоннели, станции расположены на пойме р. Мзымта и в горных массивах ее левого берега. Река Мзымта на протяжении 50 км пересекает по меридиану Южный передовой хребет Большого Кавказа. Трасса дороги начинается с Имеретинской низменности и заканчивается в высокогорном районе на субширотном участке грабенообразной долины р. Мзымта, отделяющей Южный передовой хребет от горных структур Центрального Кавказа (рис.1). Превышение абсолютных отметок по трассе дороги составляет 500 м. Рельеф местности вдоль трассы меняется от низкого равнинного в пределах Имеретинской низменности, через невысокие предгорья горного обрамления приморской равнины до среднегорий и высокогорий Аибгинского хребта с отметками высот более 2200 м. Крутизна склонов увеличивается в глубь гор от 5–80 до 120 в предгорьях до 20–250 в средней части трассы и до 400 и более на северном склоне хребта Аибга. Высота склонов возрастает в том же направлении от 20–30 м до 1500 м, а их протяженность – от 200–300 м до 5 км (рис.2).

Рис. 1. План трассы совмещенной дороги Адлер—Альпика- Сервис

На рассматриваемой территории в области молодой горной складчатости и условиях умеренно высокого, сильно расчлененного рельефа при теплом и влажном климате активно развиваются опасные геологические процессы (ОГП): разнонаправленные и дифференцированные по скорости тектонические движения отдельных горных блоков; высокая сейсмичнность (до 8–9 баллов); склоновые процессы больших объемов (обвалы, оползни, сели, лавины); плоскостная и линейная (русловая) эрозия; физическое и химическое выветривание горных пород, экзарация, крип, солифлюкция, карст и другие процессы.

Рис. 2. Геоморфологические особенности территории совмещенной дороги

Высокая сейсмичнность района, тектоническая нарушенность горных массивов и большое количество атмосферных осадков (до 2000 мм/год) обусловливают широкое развитие оползней. Пораженность склонов оползнями на отдельных участках достигает 60–70 % их площади, при этом может наблюдаться до 5 и более генераций оползневых смещений. Отмечается большое разнообразие оползней. По возрасту оползневые смещения подразделяются на древние верхнеплейстоценовые, последующие генерации верхнеплейстоцен-голоценового возраста и современные. По генезису выделяются блоковые оползни, инсеквентные оползни скольжения, деляпсивные оползни в приповерхностных частях склонов и оползни сложного строения, начинающиеся как оползни-обвалы и трансформирующиеся в обвалы-субпотоки. По объемам наблюдаются: грандиозный «Аибгинский» оползень (рис.3) – около 700 млн м3, оползень-обвал-субпоток – 70 млн м3, деляпсивные оползни в четвертичных отложениях – до 20 млн м3 и современные активные оползни на склонах долин рек и крупных эрозионных врезов – до первых сотен тысяч м3 [1].

Рис. 3. Аибгинский оползень выше по склону конечной станции железной дороги Альпика- Сервис

Активность оползней различна. Древний Аибгинский оползень характеризуется общей устойчивостью основного оползневого тела, но на его флангах развиваются деляпсивные оползни нескольких генераций. Сместившиеся массы оползня-обвала-субпотока устойчивы в средней части обвального шлейфа и неустойчивы в верхней и нижней его частях. В верхней части развиваются солифлюкционные деформации, а в нижней – современные деляпсивные оползни небольших объемов. Активизация оползней на склонах обусловливается особенностями геологического строения, сейсмичностью и структурно-тектоническими факторами (рис.4), климатическими и геоморфологическими условиями, воздействием селевых и лавинных процессов, русловой эрозии, а также строительной деятельностью человека.

Рис. 4. Фрагмент схемы неоструктурного районирования северо-западной части центрального сегмента Большого Кавказа (по материалам С.А. Несмеянова): 1 – срединная зона мегасвода Большого Кавказа; 2 – горсты южного склона Большого Кавказа; 3 – грабены: а) поперечные, б) шовные – продольных структур общекавказского простирания; 4 – региональные разрывы и их номера; 5 – граница сейсмогенерирующей зоны – Краснополянского структурного узла; 6 – трасса совмещенной авто- и железной дороги; 7 – участок строительства спортивных объектов горного кластера

Обеспечение безопасных условий эксплуатации объектов дороги основывается на детальном изучении геологического строения склонов, истории их формирования и развития, прогнозе воздействий сооружений на геологическую среду, разработке мер инженерной защиты объектов, осуществлении контроля за геодинамическими процессами и устойчивостью конструкций.

Оценка оползневой опасности основывается на данных полевых наблюдений и измерений, аналитических расчетах устойчивости природных и техногенно измененных склонов, а также мониторинговых наблюдениях.

Оценка оползневого риска для сооружений дороги требует: анализа сложности инженерно-геологических условий отдельных участков, оценки оползневой опасности, учета проектных решений по расположению полотна и сооружений дороги относительно оползнеопасных склонов.

Выводы о величине оползневого риска как экономической категории, характеризующей условно реализованый ущерб, причиненный природно-технической системе, делаются с учетом проектных решений по размещению и конструкциям основных сооружений и объектов их инженерной защиты.

Выполненные на данном объекте оценки степени оползневого риска показывают, что высокая сложность геологического строения и значительная пораженность участка оползнями не всегда обусловливают и высокую степень риска для конкретных участков и сооружений дороги.

Разработка проектов и строительство противооползневых, противоселевых и других защитных инженерных сооружений является очень сложной и весьма затратной задачей, требующей оптимальных решений и наиболее эффективного вложения средств, максимально обеспечивающих безопасность строительства и эксплуатации объектов на наиболее опасных участках. Этим была обусловлена задача ранжирования по оползневой опасности девяти участков левобережного склона долины р. Мзымта по трассе совмещенной дороги с шестью тоннельными участками [2]. Данное ранжирование опиралось на детальное изучение и сравнение инженерно-геологических условий участков, в первую очередь геоморфологических особенностей (высота, крутизна, протяженность, расчлененность склонов), геологического строения массивов (состав, состояние и свойства горных пород, условия их залегания, структурно-тектонические особенности), гидрогеологических условий (характер, интенсивность водопроявлений, степень обводненности пород склонов, тип и глубина залегания подземных вод), наконец, характеристик и морфометрических показателей ведущих процессов, в данном случае оползней (возраст, тип и механизм развития, объемы и мощности сместившихся масс, стадии развития, устойчивость общая и локальная).

Выполненное ранжирование участков по степени оползневой опасности может дополняться и уточняться результатами инструментальных измерений деформаций склонов с применением повторных высокоточных геодезических наблюдений за смещениями марок, закрепленных на местности; повторных стереофотограмметрических съемок с постоянных баз; струнных деформометров (экстензиметров) и инклинометров (рис.5). Последние были применены на большинстве из рассмотренных оползневых участков. Условием их эффективного применения для установления направления, величины и скорости оползневых смещений, глубины залегания поверхности скольжения, является необходимость проходки параметрической скважиной всего оползневого тела с заглублением забоя в сохранный коренной массив. Это условие сравнительно легко реализуется на оползневых участках низких предгорий, где на пологих, протяженных и невысоких склонах в рыхлых четвертичных отложениях развиваются асеквентные, вязкопластические поверхностные деляпсивные оползни относительно небольшой мощности до 10–12 м. Значительно сложнее это условие может быть выполнено на оползневых участках с горным средневысотным и высокогорным рельефом и большой крутизной склонов до 45° и более, где формируются огромные по объемам сейсмогенные и тектонически обусловленные детрузивные, преимущественно блоковые (реже оползни-обвалы-потоки) консеквентные и инсеквентные оползни, состоящие из отдельных больших блоков, разъединенных по крупным тектоническим разломам процессами расседания склоновых массивов, оседания и смещения блоков. Как правило, древние (Q3 и Q3-4) блоки перекрываются повторными оползневыми накоплениями нескольких генераций. Общая мощность оползневых накоплений на этих участках превышает 30 м, достигая в отдельных местах 7–80 м (рис.6). Более эффективным является применение комплекса геодезических и геофизических методов, а также дистанционных съемок: стереофотограмметрической или с разных носителей.

Измерительная аппаратура для контроля оползневых деформаций в массивах грунтов. — Рис. 5. Измерительная аппаратура для контроля оползневых деформаций в массивах грунтов

Реализация работ позволила сделать вывод о том, что в первую очередь следует разрабатывать и реализовывать противооползневые защитные меры на участках с высокой степенью оползневой опасности и оползневого риска для объектов дороги. На них же следует устанавливать комплексные системы геотехнического мониторинга.

Рис. 6 Схема развития оползневых деформаций склона на участке северных порталов комплекса тоннелей №3 на трассе ж/д Адлер-Альпика-Сервис: 1 – бровка стенки срыва основного смещения блокового оползня; 2 – тело оползня детрузивного блокового типа, переходящего в нижней части в деляпсивный оползень вязкопластичного течения водонасыщенной раздробленной горной массы; 3 – обвально-осыпные и делювиальные накопления, перекрывающие верхнюю часть древнего блокового оползня; 4 – обвально-осыпные накопления; 5 – бровки стенок срыва повторных молодых оползней деляпсивного типа в теле древнего оползня; 6 – бровка уступа оползневой террасы; 7 – бровки оползневых рвов в теле древнего оползня, образовавшихся на границах отдельных оползневых блоков; 8 – направления движения оползневых масс; 9 – порталы автодорожных и железнодорожных тоннелей; 10 – тектонические нарушения с крутопадающими сместителями.

Эксплуатация такого сложного и ответственного объекта, как комплекс сооружений совмещенной дороги, требует глубокого природного обоснования проектов инженерной защиты от опасных геологических процессов, которые должны опираться на изучение и оценку современных инженерно-геологических условий рассматриваемой территории; учет истории геологического развития территории, в т.ч. последовательности формирования склонов и развития на них опасных геологических процессов; разработку прогнозов изменения устойчивости геологической среды в процессе эксплуатации объектов на основе расчетов и моделирования; выработку адекватных защитных мер.

История геологического развития территории, современная геодинамика и связанные с ними факторы (состав, мощность, условия залегания горных пород, их дислоцированность и трещиноватость, гидрогеологические особенности и другие) должны быть положены в основу целевого инженерно-геологического районирования территории для оценки уязвимости сооружений дороги. В этом заключается одно из направлений деятельности по управлению природными рисками на данной территории. Схема районирования является необходимым условием и инструментом для обоснованного выбора мест размещения мониторингового контрольно-измерительного оборудования и строительства объектов инженерной защиты. При этом предусматривается защита не только зданий и сооружений, но и объектов их транспортного и инженерного обеспечения. Следует оценивать опасности и риски как от установленных активных геологических процессов, так и тех процессов, которые могут возникнуть при эксплуатации объектов, например при подрезке склонов дорожными полками, складировании излишков строительных грунтов на горных склонах и откосах оврагов, эксплуатационных потерях из водонесущих сетей, динамических (вибрационных) воздействиях инженерных систем.

Для данной конкретной территории, вмещающей сооружения дороги, важно разрабатывать проекты локальных (детальных) схем комплексной инженерной защиты отдельных объектов. В первую очередь следует реализовывать способы и проекты инженерной защиты от оползневой и селевой опасности. Это могут быть: планировка и/или террасирование склонов; создание поверхностных (нагорных) водоотводящих сетей и систем открытых или подземных дренажей; строительство укрепительных сооружений в виде массивных подпорных стенок или анкерного крепления оползне – и обвалоопасных массивов горных склонов; возведение противоселевых гидротехнических сооружений: улавливающих, отводящих, пропускных, руслоукрепляющих и других. Для осуществления указанных мероприятий необходимо привлечение значительных финансовых средств, т.к. реализация защитных мер малыми средствами не эффективна и бесполезна.

Важным моментом в управлении природными рисками является разработка и внедрение систем комплексного мониторинга динамики склоновых процессов и состояния ответственных сооружений с применением автоматизированных подсистем получения данных, их передачи, обработки и хранения, анализа и прогнозирования, выработки управляющих решений. Именно мониторинг позволяет объективно оценивать состояние сложных природно-технических систем и вырабатывать адекватные управляющие и инженерные решения, а также корректировать предварительные оценки современного состояния горных склонов и прогнозы развития опасных геологических процессов. Кроме того, современные мониторинговые системы, как например охранно-сейсмический мониторинг, дают возможность не только контролировать ситуацию, но при превышении порога опасности природного или техногенного воздействия отключать основные энергетические сети и системы с целью минимизации ущербов от возможных взрывов и пожаров.

Литература

Осипов В.И., Мамаев Ю.А., Ястребов А.А. Условия развития опасных геологических процессов на территории строительства горноспортивных сооружений в Краснополянском районе г. Сочи // Геоэкология. № 4. 2013. С.291–302.
Осипов В.И., Мамаев Ю.А., Вадачкория О.А., Ястребов А.А. Формирование и оценка инженерно-геологических условий территории строительства олимпийских объектов горного кластера в Адлерском районе г. Сочи // Геоэкология. № 1. 2011. С. 3–13.