Ю.А. Мамаев, В.И. Липилин, А.И. Симонов

Изучение грубообломочных пород Усойского завала дистанционными методами

Гидротехническое строительство. №10. Москва. 1991

Увеличение народонаселения страны, рост и модернизации экономических центров, обострившиеся экологические проблемы, связанные с недостатком воды, обусловливают необходимость дальнейшего расширения и совершенствования мелиоративного и водохозяйственного строительства, в том числе на территориях считавшихся ранее для этого малопригодными. Важное значение при этом имеют объекты, которые размещаются в горных и труднодоступных районах. Одним из наиболее сложных в этом отношении объектов является проектируемый комплекс сооружений для понижения уровня Сарезского озера.

Район характеризуется высокогорным рельефом с отметками более 5000 м, с многочисленными склоновыми, эрозионными и ледниковыми формами. Территория сложена сильнодислоцированными, преимущественно осадочными скальными породами песчаниково-сланцевого, реже карбонатного и и сульфатного состава. Массивы горных пород нарушены крупными тектоническими разломами. Сейсмичность района 9 баллов. Высокие (800 м и более) и крутые (до 80º) склоны р. Мургаб, а также высокая тектоническая активность района обусловила формирование здесь грандиозных сейсмогенных оползней - обвалов, один из которых Усойский, происшедший в 1911 г., привел к перекрытию долины р. Мургаб и образованию Сарезского озера длиной 61 км, шириной до 3 км и глубиной до 500 м, с общим объемом накопленной воды 16 км³.

Усойский завал высотой до 650 м, объемом более 2 км³ и глубиной захвата смещающихся пород до 400 м состоит из крупных оползневых массивов. Его поверхность переработана последующими вторичными оползневыми, эрозионными и осыпными процессами. Современное состояние завала общей площадью 12 км² и шириной по основанию до 5 км оценивается как устойчивое, которое, однако, может измениться под влиянием сейсмичности и естественного уплотнения завала. Отдельные береговые массивы озера являются потенциально неустойчивыми и неустойчивыми (движущимися). На них формируются крупные и грандиозные оползни объемом до 200 млн. м³. Один из таких оползней объемом около 20 млн. м³ произошел 22 августа 1987 г. в 12 км от Усойского завала и вызвал на противоположном берегу озера заплеск волны высотой 16-17 м. Еще три потенциально опасных оползневых массива сходных масштабов установлены на берегах озера в 26, 47 и 55 км от завала.

Наиболее близкий к Усойскому завалу и наиболее крупный оползне-обвальный участок «Правобережный» с общим максимально возможным объемом смещения 0,9 км³ расположен в 5-6 км от завала. Обрушение этого оползня в озеро может вызвать волну излива объемом до 80 млн. м³ частичный размыв завала и катастрофический паводок по долинам рек Мургаб, Бартанг, Пяндж, Аму-дарья. Это может привести к значительному экономическому ущербу и человеческим жертвам.

Поэтому основной целью проектных работ является приведение Сарезского озера в безопасное состояние, исключающее как прорыв Усойского завала, так и перелив катастрофической волны из озера в долину реки. Кроме того, проектные решения направлены на рациональное использование водных ресурсов озера в народном хозяйстве Таджикистана.

Инженерно-геологические работы для обоснования мероприятий, регулирующих уровень Сарезского озера, выполнялнсь с применением дистанционных методов. Проведение этих работ в комплексе других изысканий обусловливалось чрезвычайной сложностью и труднодоступностью объекта, где разведочное бурение, горнопроходческие работы и др. трудно применимы из-за значительных высот, сильно пересеченного рельефа и отсутствия дорог. Использование же комплекса дистанционных методов наряду с наземной съемкой явилось эффективным.

В процессе проведения работ учитывались опубликованные н фондовые материалы организаций: Таджикгеология, ВСЕГИНГЕО, Средазгидропроект, Геологический факультет МГУ, Союзгипроводхоз и др., выполнявших в разные годы геологические и тематические исследования района Сарезского озера и участка Усойского завала.

Имеющиеся текстовые и картографические материалы дают достаточное представление об основных закономерностях геологического строения объекта, в частности, о составе, условиях залегания и тектонической нарушенности пород; формировании, типах и объемах обвально-оползневых и других склоновых явлений; о современной общей устойчивости склонов Сарезского озера и самого Усойского завала. Поэтому задачи выполненных исследований носили более узкий, целенаправленный характер и включали:

- изучение строения и состава пород верхней части гребня и откосов Усойского завала и прежде всего его центральной, наиболее пониженной части;

- составление на основе комплексного дешифрирования аэрофото- и фототеодолитных снимков и полевых исследований карты районирования завала;

- количественную оценку степени раздробленности массивов смещенных пород на основе составления детальных инженерно-геологических схем ключевых участков, расположенных на типичных площадках завала.

Для решения поставленных задач применялся комплекс камеральных и полевых, наземных и дистанционных методов, включающий: анализ опубликованных и фондовых материалов по району работ; предварительное дешифрирование аэрофотоснимков (АФС), космофотоснимков (КФС) и наземной фототеодолитной съемки (ФТС) исследуемой территории с выявлением дешифровочных признаков, отражающих состав и строение массивов горных пород, а также другие инженерно-геологические особенности. Были организованы специализированные разномасштабные и разнозональные дистанционные съемки территории со спутников и самолетов АН-30, АН-2. В процессе полевых работ выполнялись аэровизуальные облеты территории на вертолете, рекогносцировочные и специализированные инженерно-геологические маршруты, полевое дешифрирование АФС и составление рабочих карт, выбор ключевых участков для оценки степени раздробленности смещенных массивов и фототеодолитная съемка на них. Изучалась общая устойчивость, механизм и характер смещения оползнеопасных и оползневых склонов, сейсмогенные деформации и проявления других геологических процессов: суффозионно-карстовых, эрозионных, селевых и др

При составлении инженерно-геологических карт выполнялось комплексное тематическое дешифрирование АФС КФС, в разных диапазонах спектра: панхроматические черно-белые изображения, цветные многозональные и др. Выполнялась радиолокационная съемка бокового обзора. Использовались также материалы съемок предыдущих лет, которые имели следующие масштабы: космическая - 1:200 000 - 1:100 000; аэрофотосъемка от 1:20000 до 1 :5000. Имелась возможность увеличения негативов фотоснимков на стереоприборе «Матра» (Франция) максимально в 30 раз. На центральную пониженную часть Усойского оползневого перекрытия была составлена карта инженерно-геологического районирования. Специфичность задач и детальность масштаба исследований (1:2000) обусловили необходимость дальнейшего совершенствования методики инженерно-геологического районирования, которое выполнялось по однорядной схеме генетико-морфологического районирования смешанного вида, где по индивидуальным морфологическим признакам выделялись крупные таксоны: массивы и подмассивы, а по типологическому - наименьшие - участки. Наибольшие по площади - инженерно-геологические массивы - выделялись по особенностям механизма оползневого смещения (передовые массивы свободного поступательного движения и фронтального сжатия, центральные, тыловые и др.). Им были присвоены индексы А, Б, В и т. д. В пределах массивов по морфологии поверхности и особенностям залегания, сложения и сохранности смещенных блоков и пакетов, часто содержащих фрагменты доусойских четвертичных накоплений, обособлялись подмассивы, имеющие соответственно индексы: А1; А2; Б1; Б2 ... и т. д. Участки выделялись по степени раздробленности «разблоченности» пород. Было принято выделение пяти типов участков с индексами 1, 2, 3, 4 и 5. Участки 1 типа - с наибольшей раздробленностью пород; участки 5 типа - с наименьшей, характерной для смещенных массивов, сохранивших первоначальное сложение (рис. 1).

Имея в виду назначение карты для обоснования прогноза размыва Усойского завала в зоне прохождения возможной волны выплеска из Сарезского озера, участки с максимально раздробленными породами и, следовательно, с наибольшими объемами размыва, имеют на карте красный (тревожный) цвет, а участки с относительно сохранным монолитным сложением - зеленый (спокойный).

Количественная оценка гранулометрического состава обломочных пород, слагающих разные участки завала, давалась по исследованиям на «ключевых» участках. На каждом из выделенных инженерно-геологическом участке выбирались от 2 до 6 типичных площадок («ключей») площадью до 1 га. Путем составления детальных инженерно-геологических схем раздробленности и трещиноватости пород масштаба 1 :200 на каждом из «ключей» оценивался гранулометрический состав слагающих его обломков и после статистической обработки результатов экстраполировался на всю площадь участка. Для оценки гранулометрического состава грубообломочных пород применялся линейно-планиметрический способ, основанный на дешифрировании и измерении изображений аэрофото- и фототеодолитных снимков. Было принято фракционное деление обломков по размерам: менее 2; 2-5; 5-10; 10-20 м и более по длинной стороне фрагмента. Априорно принималось, что обломки размером меньше 2 м будут размываться и уноситься волной излива. Механический состав оценивался путем подсчета суммарных площадей распространения обломков того или иного размера и отнесения их к общей площади «ключа». Обсчеты велись как вручную (в начальной стадии работ) посредством измерения площадей планиметром, так и на ЭВМ с помощью специально разработанной программы. Сопоставление результатов ручной и автоматизированной оценки состава обломков по 8 «ключам» показало их хорошую сходимость. Кроме того, полевыми исследованиями было установлено, что помимо скальных коренных пород в процессе смещения Усойского сползня в движение были вовлечены и перемещены на значительные расстояния четвертичные отложения разного генезиса и возраста. Это галечниковые аллювиальные накопления, слагающие высокие террасы р. Мургаб; моренные образования суглинисто-обломочного состава; склоновые щебенисто-глыбовые накопления с суглинистым заполнителем, грубообломочиые отложения селей и др. Отдельные их фрагменты встречаются па поверхности завала и характеризуются видимой мощностью от 3 до 20 м, редко больше, Принимаемая в расчеты мощность этих отложений в зоне прохождения возможной волны выплеска устанавливалась по результатам геофизических работ, визуальным наблюдениям в обнажениях и уступах или, приближенно, по экспертным оценкам геологов, участвовавших в инженерно-геологических работах на завале.

Центральная пониженная часть завала общей площадью 4 км² является наиболее опасной с точки зрения возможности размыва перекрытия при переливе волны-выплеска из Сарезского озера. Она имеет протяженность вдоль берега озера около 2,5 км и вглубь завала до 1,5 км; включает склон верхового откоса с зоной инфлюации и гребень завала. Характеризуется сложным сильнорасчлененным увалисто-грядовым, реже ступенчатым и островершинным рельефом с крутыми внутриоползневыми уступами высотой от 5 до 40 м, иногда более, а также глубокими понижениями, заложенными по контактам блоков. Наиболее крупные и глубокие понижения ориентированы от берега озера в западном и северо-западном на правлениях в обход крупных блоков. С поверхности они выполнены мелко-, среднеобломочным материалом. В строении данной территории принимают участие передовые, центральные и тыловые массивы и подмассивы Усойского оползня, выделенные при его общем районировании. Их отличительной чертой является разная степень нарушенности трещинами разгрузки, отседания, бортового отпора, выветривания и т. д. Наблюдаются также системы трещин скола и отрыва.

В пределах рассматриваемой части завала было выделено пять типов участков, отличающихся фракционным составом смещенных пород.

Части территории, относимые к участкам 1 типа, характеризуются наибольшей раздробленностью пород с преобладанием (до 80 % общего объема горной массы обломков размером менее 2 м по длинной стороне и малым содержанием супесчано-глинисто-дресвяного заполнителя. Редко отмечаются блоки размером 20 м и более. Эти участки приурочены к понижениям на поверхности завала (котловинам, ложбинам, западинам), часто совпадающими с границами массивов и крупных блоков.

Участки 2 типа слагают краевые части массивов и характеризуются повышенной раздробленностью («разблоченностью») пород. Здесь наблюдаются отдельные крупные блоки до 100, редко больше, метров в длину, разбитые протяженными зияющими трещинами отрыва на более мелкие части. Местами они перекрываются навалом более мелких обломков, среди которых фрагменты размером менее 2 метров составляют не более 65 %. Мощность таких покровов достигает 20 м.

Участки 3 типа относятся к фронтальным и тыловьм частям передовых оползневых массивов свободного поступательного движения. Характеризуются наличием единых крупных смещенных пакетов пород длиной до 300 м, местами рассеченных открытыми трещинами на более мелкие блоки размером до 50 м. В рельефе образуют характерные грядово-западинные и ступенчатые формы с отдельными гребнями и вершинами, сложенными сильнотрещиноватыми разуплотненными породами. Большая часть склоновых поверхностей перекрыта мощным (до 20 м) покровом грубо-облмочных рыхлосложенных пород, в которых обломки размером меньше 2 м составляют около 50 % общего объема горной массы.

Участкам 4 типа обычно принадлежат центральные приподнятые части массивов, сложенные крупными, часто сомкнутыми блоками пород с хорошо сохранившейся первоначальной структурой и разной степенью трещиноватости. Здесь на относительно выположенных поверхностях блоков и в понижениях наблюдаются навалы горной массы мощностью 10-15 м, в которых по единичным оценкам обломки размером меньше 2 м составляют 50 % общего объема покровных накоплений.

Таблица 2. Гранулометрический состав пород (см. рис. 2)

Инженерно-геологические участки	Статистические показатели	Гранулометрический состав: фракции, м; содержание, %
		<2	2-5	5-10	10-20	>20
1	Мин. - макс.	56.5 - 97.5	2.4 - 13.1	0.1 - 7.2	2.1 - 10.5	3 - 31.5
	Средн.	74.8	7.6	4.4	4.5	8.7
	σ n-1	13.3	3.8	2.5	3.2	12.2
	V,%	17	50	56	70	140
2	Мин. - макс.	47 – 64.8	6.4 - 10	3.5 - 6	2 - 6	21.8 - 29
	Средн.	57.6	8	4.4	4	26
3	-	49.5	18.6	13.3	6.9	11.7
4	-	52.5	9.5	6.0	2.5	29.5
Послеусойских накоплений	Мин. - макс.	80.8 - 99	1 - 11	0.6 – 4.9	1.3 – 3.3	-
	Средн.	93.5	3	2	1.5
Всей центральной части завала	Мин. - макс.	47 - 99	1 – 18.6	0.1 – 13.3	1.3 – 10.5	3 – 31.5
	Средн.	65.5	9.5	6	4	15
	σ n-1	18.4	5.4	4.1	1.8	12.1
	V,%	28	56	68	45	80

Участки 5 типа имеют небольшие площади распространения. К ним относятся субгоризонтальные бронирующие поверхности массивов, а также крутые внутриползневые уступы высотой до 60 м, сложенные сравнительно монолитными блоками и пакетами общей протяженностью более 500 м с сохранным первоначальным сложением пород и относительно слабой раздробленностью. Покровная горная масса имеет, как правило, незначительное распространение. Особенности строения и гранулометрического состава выделенных типовых участков были охарактеризованы на детальных инженерно-геологических картах-схемах разблоченности пород «ключей» масштаба 1 :200 и обобщены на карте инженерно-геологического районирования центральной части Усойского завала масштаба 1 :2000.

Выполненные исследования позволили выделить границы инженерно-геологических участков, охарактеризовать их строение и гранулометрический состав слагающих пород (табл. 1). Статистическая обработка и сопоставительный анализ содержащихся в ней данных (табл. 2) позволили построить обобщающие кумулятивные кривые гранулометрического состава пород, выделенных типовых участков (рис. 2).

На основе новых данных о строении и гранулометрическом составе пород центральной части завала установлены четыре зоны, наиболее предрасположенные к сосредоточенному (линейному) размыву. В основном это вытянутые параллельно речной долине понижения на границах массивов и крупных блоков, вдоль которых концентрируются неустойчивые, подготовленные к смещениям участки откосов и отдельные обвалоопасные массивы. Здесь же отмечаются интенсивные суффозионные провальные явления.

Данные зоны преимущественно сложены рыхлообломочными породами, относящимися по степени раздробленности к участкам 1, реже 2 типов. На других участках центральной части завала размыв может иметь площадный характер и меньшую интенсивность.

Дальнейшее изучение строения завала предполагает более широкое применение разнообразных методов дистанонных исследований. Перспективным и эффективным явится совместное дешифрирование материалов панхроматической черно-белой, цветной многозональной, тепловой и радиолокационной съемок. Информация с черно-белых аэрофотоснимков существенно дополнится данными цветных многозональных снимков, на которых смещенные массивы с разной степенью нарушенности первоначального сложения и соответственно плотности пород, имея разную отражательную способность, будут отличаться по цвету и тону друг от друга и от массивов сохранных несмещенных пород.

Применение тепловой съемки должно иметь целью выделение в пределах завала участков с близким залеганием к дневной поверхности фильтрационного потока и прослеживание его отдельных частей (рукавов) по локальным образованиям вблизи дневной поверхности линз и жил многолетнего льда, которые частично установлены наземной съемкой. Это позволит существенно уточнить структуру фильтрационного потока в теле завала. Первый опыт применения радиолокационной обзорной съемки на данном объекте подтвердил перспективность использования данного вида исследований. Предполагается, что дешифрирование радиолокационных многочастотных снимков, выполненных с разных направлений, позволит определить большее количество геологических тел, структур и контактов как в теле завала, так и окружающих горных массивах, где проектируется строительство регулирующих сооружений.

Это, наряду с другими наземными методами исследований (инженерно-геологическими, геофизическими, гидрогеологическими и др.), позволит существенно уточнить особенности строения и состава пород такого уникального по сложности и масштабам объекта как Усойский завал, а также разработать методику изучения сходных объектов дистанционными методами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методика инженерно-геологических исследований высоких обвальных и оползневых склонов. Под ред. проф. Золотарева Г. С. М.: МГУ. 1980.

2. Теоретические основы инженерной геологии. Геологические основы. Под ред. акад. Сергеева Е. М. М.: Недра. 1985.

3. Федоренко В. С. Горные оползни и обвалы, их прогноз. М.: МГУ. 1988