ОПАСНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ КАМЕННЫХ ГЛЕТЧЕРОВ

ОПАСНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ КАМЕННЫХ ГЛЕТЧЕРОВ

Гребенец В.И., Керимов А.Г.о.

ТЕЗИСЫ:

В горных районах под влиянием техногенеза развиваются опасные явления, угрожающие зданиям и сооружениям. В докладе рассматриваются проблемы сползания техногенных отвалов на склонах гор. Выявлено воздействие мерзлотных и гляциальных факторов. Отмечено, что деградация мерзлоты в индустриальных зонах усиливает развитие опасных процессов. Проанализировано перемещение крупнейшего на Севере техногенного отвала на склоне горы Рудной в Норильске. Показано подобие отвала с каменным глетчером. Установлено, что средняя скорость движения составляет 40 мм/сутки, временами - до 800 - 1000 мм/сутки. Выявлено три вида механизма перемещений. Разработан прогноз смещения отвала и даны практические предложения по стабилизации обстановки.

В горных районах, где происходит добыча полезных ископаемых и идет интенсивное хозяйственное освоение, актуальными являются проблемы, возникающие при взаимодействии техногенеза и горных процессов. Особенно опасны и активны эти проявления при наличии гляциогенеза и криолитогенеза /Grebenets, Fedoseev, 1992/: усиливаются солифлюкация и оползневые процессы; происходит техногенное засоление почв и грунтов сезонно-талого слоя, снега и льда; нарастают деградационные тенденции в мерзлотных и гляциальных комплексах; ухудшается экологическая ситуация.

Норильский промышленный район относится к крупнейшим горнодобывающим и металлургическим центрам мира, расположенным в горном регионе. Норильск находиться на Севере Сибири за Полярным кругом (690 северной широты) в горах Путораны. За 60 лет своего существования город и промышленные производства коренным образом изменили инженерно-геологические условия территории /Grebenets u. a., 1994/, что, в конечном итоге, привело к снижению несущей способности грунтов оснований зданий и сооружений, разрушению материала фундаментов, нарастанию деформаций объектов. 

Особенно опасны процессы и явления, возникающие на склонах при их хозяйственном освоении. Многочисленные выемки и участки открытых разработок полезных ископаемых обусловили нарастание неустойчивости существующих природных откосов, в том числе их морозного растрескивания, развитие солифлюкации на участках, где ранее она не проявлялась. Затраты для специальных защитных инженерно-геологических мероприятий, направленных на стабилизацию обстановки, возросли в регионе за последние 30 лет почти в 15 раз.

Открытая разработка руды на руднике “Медвежий ручей” с помощью буровзрывного метода привела к созданию огромного карьера в центре горы Рудной (глубина - около 250 м, ширина в поперечнике - до 3 км), к образованию системы трещин в скальных породах, к формированию серии различных техногенных отвалов.

В Норильске на склоне северной экспозиции горы Рудная расположен один из крупнейших в мире техногенных отвалов породы, который образовался в результате добычи руды открытым способом. В настоящее время объем отсыпанной породы составил около 60000000 м3 (около 110 миллионов тонн).

Складирование отваленной массы производилась в течение 25 лет и было закончено в 1984 г. Фактическая высота отвала составляет 105 - 120 метров, угол откоса - 30-36 градусов. Отсыпка производилась отдельными ярусами на склон, имевший крутизну 12-15 градусов. Скальные породы с поверхности были перекрыты четвертичными моренными отложениями и покрывными суглинками, мощностью от 0,2 - 0,5 м до 6 - 7 м. Примерно на четверти территории склона вскрыты линзы льда, имевшие мощность 0.5 - 4 метра и залегавшие близко к дневной поверхности. Естественный склон был достаточно устойчив, температура грунтов на глубине 8 - 10 метров в 1945 году составляла минус 4 - 6 0С. На отдельных участках, где мощность ледовосуглинистой толщи превышала 3 -4 метра, наблюдалось проявление медленной солифлюкации.

В геологическом отношении отвал представляет собой смешение различных пород рудника “Медвежий ручей”, 43% из них - эффузивного происхождения, 56% - интрузивные и 1% - осадочные. Следует отметить плохую отсортированность материала, более 5% которого представлены отторженцами (поперечники от 80 см до 2.5 - 3 м), 60% - валунно-щебенистого состава (от 2 до 80 см), остальное - мелкие фракции, включая глинистые и пылеватые частицы. В отвал при складировании попадал лед, снег (впоследствии превращавшийся под давлением в фирн), мусор, что, в целом, снижало устойчивость отвала. Высокая фильтрационная способность материала также благоприятствовала проникновению вглубь отсыпки ливневых и паводковых вод, замерзавших по мере охлаждения массива, чему способствовали низкие отрицательные значения температуры и наличие вечномерзлых пород в основании.

Техногенный отвал на склоне горы Рудной относится к сложноструктруированным ледово-грунтовым телам и во многом сходен с наблюдаемыми в горных районах (например, в Австрии, Швеции и др.) так называемыми. “каменными глетчерами”. Основное отличие “каменных глетчеров” от “конечных морен” такое же, как и различие между глетчерами (ледниками) и так называемым “мертвым льдом”: глетчеры “живут”, то есть движутся /Barsch, 19983/.

Существенные деформации отвала были зафиксированы летом 1992 года. На верхней площадке отвала были обнаружены вертикальные просадки и трещины (вероятно, трещины отрыва), глубина которых достигала 5 - 7 метров, ширина сверху - до 0.5 метров, протяженность - до 200 - 300 метров. В нижней части вдоль автодороги на участке протяженностью до 600 метров отмечено образование из мелкозернистых частиц “вала выпирания”. Подобная морфология типична для каменных глетчеров /Höllerman, 1983/, при этом за счет экскавации, сдвига подстилающих слоев происходит их выпирание во фронтальной части в валы высотой до 6 - 8 метров. В теплый период года по обе стороны вала выпирания существуют водотоки, при этом в паводок отмечен сход небольших селей по этим водотокам. Вымывание мелкоземистого материала из отвала и сход микроселей существенно осложняют условия эксплуатации автомобильной дороги, по которой осуществляется транспортировка руды из рудника “Медвежий ручей”. Существенные подвижки осыпи привели в 1995 году к погребению вала, автомобильной дороги. Сдвиг отвала привел также к погребению ранее проложенного трубопровода, снабжающего город питьевой водой. Протяженность фронта отвала составляет 900 - 1000 метров, общее смещение на наиболее опасном участке - 50 - 60 метров. Инструментально зафиксированы скорости смещения - до 40 - 60 мм/сутки, на отдельных участках иногда - до 800 - 1000 мм/сутки, рис.1.1. Средняя скорость горизонтального перемещения (по всем пунктам наблюдений) составила в 1993-1995 годах около 40 мм/сутки. Увеличению скоростей смещения способствовали длительные сбросы на рельеф с последующим дренированием в отвал сбросов из коммуникаций, расположенных в верхней части склона. Проникновение паводковых и ливневых вод в трещины отрыва (в верхней части) активизировало в 1994 году неравномерность перемещения отдельных частей отвала. Ухудшению мерзлотных условий (а, значит, и снижению сил сцепления ледово-грунтовых частиц, реализуемых за счет смерзания) внутри отвала способствует также и прослеживаемая в Норильске под воздействием техногенеза общая тенденция к деградации мерзлоты /Grebenets u.a., 1994/. В районе отвала температура мерзлых толщ (1993 г.) на глубине 8 - 10 метров повысилась до минус 2.5 - 3 0С, что снизило устойчивость мерзлотных и гляциальных комплексов.

На наш взгляд, помимо движения отвала как единого ледово-каменного тела в целом (наподобие каменного глетчера) прослеживаются еще два вида перемещений: осыпание обломочного материала с поверхности и послойное перемещение отдельных горизонтов.

Осыпание материала (в том числе “отторженцев” размером до 2.5 - 3 метров, угрожающим безопасности людей и техники) наиболее активно происходит в теплый период года: во-первых, движение отвала увеличивает гравитационную нестабильность покрытого техногенными обломками склона, во-вторых, происходит протаивание цементирующего обломки зимой снега и льда, в-третьих, суточные температурные перепады (весной и осенью) за счет образования ночью ледяных корочек под обломками и их вытаивание днем увеличивает степень подвижности отдельных обломков. В июне 1994 года местами отмечены лавинообразные сходы осыпного материала.

Послойные подвижки (третий вид перемещений) представляются наиболее опасными. Как известно, длительное сопротивление льда нагрузкам (в том числе сдвиговым) в отличие от мгновенного стремится к нулю, лед обладает способностью вязко-пластичного течения под нагрузкой. Очевидно, что движение по более льдистым горизонтам отдельных слоев отвальной массы, накладываемое на общее движение этого техногенного каменного глетчера, представляет особую опасность, поскольку при изменении (ухудшении) температурных условий или нарастании деформаций и так далее ползучесть может перейти в стадию прогрессирующего течения, что вызовет лавинообразный сход всего отвала или его части. Особую тревогу вызывает попадание воды в трещины отрыва, так как дальнейшее ее движение внутри тела отвала происходит по каналам, вытаянным в пределах льдистых слоев.

Расчеты показали, что при лавинообразном сходе 60% массы отвала обломочный материал по рельефу может достичь удаленности 1 - 1.2 километра, разрушив при этом десятки промышленных зданий и сооружений. Вероятность подобного схода в течение ближайших 2 - 2.5 лет составляет около 70%.

Основные инженерно-технические мероприятия направлены на вывод из опасной зоны наиболее важных объектов. Начато на удалении 0.3-0.5 метров от нижней кромки отвала возведение насыпной дамбы (высотой до 10 - 15 метров), способной задержать значительную часть отвальной массы. В настоящее время анализируется возможность применения искусственного замораживания грунтов в верхней части отвала с помощью сезонно-охлаждающих устройств, использующих естественные запасы холода, для скрепления отвала с природным склоном. В Норильском регионе накоплена богатейшая практика по применению подобных устройств в фундаменто- и гидротехническом строительстве /Grebenets, 1990/.

Однако, остаются нерешенными многие вопросы как по уточнению прогноза перемещения, так и по эффективным способам стабилизации отвала.

Проблемы перемещения техногенных отвалов в горных и предгорных районах выдвигаются в последние годы на передний план исследований в области механики грунтов. Возможно, что международная научная координация поможет решать эти важнейшие в практическом плане вопросы.