GUIDANCE ON ACCOUNTING FOR TREES AND SHRUBS IN THE CALCULATION OF SLOPE STABILITY

Abstract

The authors suggest a method for defining the share of roots in the volume of ground layer as a basis for calculating the stability of slopes covered with tree-bush vegetation.

Full Text

Обеспечение устойчивости склонов и откосов является одной из наиболее типичных задач, с которыми сталкивается специалист по природообустройству, ведущий работы в условиях сложного рельефа. Несмотря на то, что проблема устойчивости откосов изучается со времен Ш. Кулона (1773 г.), существующие методы расчетов в этой области пока имеют довольно ограниченные возможности и плохо приспособлены к учету многих факторов. Влияние некоторых из таких факторов плохо поддается схематизации и зачастую оценивается лишь интуитивно на основе накопленного инженерного опыта. В наибольшей мере это относится к учету древеснокустарниковой растительности на изучаемых склонах, хотя сама способность растущих на склонах деревьев и кустарника снижать опасность оползней является хорошо известным фактом. Практически во всех регионах нашей страны можно найти примеры, когда уничтожение растительности приводило к обрушению склонов, которые до этого многие десятилетия сохраняли устойчивость. Напротив, наличие растительности в ряде случаев удерживало от обрушения склоны, которые по всем расчетам должны были бы обрушиться. В нормах по инженерной защите территорий СНиП 22-02-2003 [1] агролесомелиорация рассматривается как одно из важнейших противооползневых мероприятий. Аналогичное отношение к растительности на склонах характерно и для зарубежных норм. Тем не менее ни в нашей стране, ни за рубежом никаких количественных критериев для оценки влияния древесно-кустарниковой растительности на устойчивость склонов не установлено. По этой причине и в отечественных, и в зарубежных нормах наличие или отсутствие древесной растительности при расчетах устойчивости склонов вообще не учитывается. Посадка деревьев на склонах обычно рассматривается как мероприятие, обеспечивающее дополнительный «запас устойчивости» этих склонов без какой-либо количественной оценки этого «запаса». Тем не менее исследования данного вопроса, проводившиеся в Башкирском государственном аграрном университете (БГАУ) совместно с институтом БашНИИстрой, показали, что количественный учет растительности при оценке устойчивости склонов представляется вполне разрешимой задачей. Настоящие рекомендации являются обобщением упомянутых результатов исследований. В них излагаются методы количественного учета древесно-кустарниковой растительности, которые можно использовать при существующем уровне проектноизыскательских работ (т.е. при существующем изыскательском оборудовании, существующих методах расчета, применяемых программных комплексах и т.д.). Очевидно, что подобная проблема не может быть сразу решена применительно ко всему диапазону природных условий нашей страны, поэтому желательна ее корректировка непосредственно на практике в различных регионах. Настоящие рекомендации предназначаются для специалистов изыскательских и проектных организаций, ведущих работы, связанные со строительным освоением территорий со сложным рельефом, на которых приходится учитывать опасность склоновых (в первую очередь оползневых) процессов. При этом инженерно-геологические изыскания и проектирование противооползневых мероприятий должны выполняться в соответствии с действующими нормативными документами с выполнением дополнительных операций, излагаемых в настоящих рекомендациях. Областью применения настоящих рекомендаций являются оценка устойчивости склонов с древесно-кустарниковой растительностью, сложенных глинистыми или песчаными грунтами, как литологически однородными, так и имеющими инородные включения (прослои) – скальные или органические (торфы, илы). Устойчивость склонов, на которых растут деревья или кустарники, повышается по следующим причинам: растительность препятствует размыву поверхности склона в период снеготаяния, обеспечивает равномерное перемещение талых вод, равномерное впитывание их в грунт; стволы деревьев способны удерживать сползающие массы грунта при покровных оползнях небольшой глубины (до 1,5…2 м); корневая система деревьев способна оказывать армирующее действие на оползневой склон. Армирующее действие корней деревьев определяется строением их корневой системы, которая (в зависимости от породы деревьев и почвенногрунтовых условий) распространяется в большинстве случаев на глубину 1,5…2,0 м, но в плане охватывает большую площадь, в 3…4 раза превосходящую площадь кроны. Наличие корневой системы обусловливает формирование грунтово-корневого слоя («тюфяка») толщиной 1,5…2 м, покрывающего поверхность склона, его гребень и нижнюю часть (подножье или «подошву»). Поверхность скольжения должна в общем случае перерезать грунтово-корневой слой в двух местах: на гребне и у подножия склона. Корневая система древесно-кустарниковой растительности при оползневых процессах создает дополнительную удерживающую силу, величина которой определяется насыщенностью корнями верхних слоев 1,5…2 м (грунтово-корневого слоя). Эту насыщенность (и соответственно сопротивляемость сдвигающим нагрузкам) можно приближенно оценивать по результатам обследования надземной части растительности на склоне. Для выполнения расчетов устойчивости склонов, покрытых древесно-кустарниковой растительностью, в процессе инженерных изысканий должна быть получена следующая дополнительная информация: наличие деревьев или кустарника в зоне гребня и в нижней части оползневого склона; густота стволов деревьев в зоне предполагаемого оползня: среднее количество деревьев на 1000 м2; средний диаметр деревьев в зоне предполагаемого оползня; преобладающая порода деревьев в зоне предполагаемого оползня. При сборе сведений о ранее происходивших оползнях в данной местности, следует по возможности выяснить, какая растительность была на склонах в момент оползня. Армирующее действие корневой системы древесно-кустарниковой растительности учитывается путем фиктивного увеличения прочности верхнего слоя грунта («грунтово-корневого тюфяка»), покрывающего склон (рис. 1). Толщину этого слоя рекомендуется принимать равной 1,5…2,5 м, увеличение прочности обеспечивать принятием повышенных значений удельного сцепления грунта «с» в зависимости от степени насыщенности корнями этого слоя. Оценка устойчивости склона с древеснокустарниковой растительностью может производиться любым традиционным методом расчета (методами теории предельного равновесия, методом круглоцилиндрических поверхностей, ломаных поверхностей и т.д.) без каких-либо изменений методики (алгоритма) таких расчетов, так как армирующее действие корней отражается лишь на вводимых исходных данных. Степень насыщенности грунтово-корневого слоя корнями определяется в зависимости от результатов обследования надземной части растительности по табл. 1-5. Рис. 1. Схема расположения «грунтово-корневого тюфяка» В расчетах устойчивости склона удельное сцепление (в пределах грунтово-корневого слоя) принимается в виде эквивалентной величины сг-к : Для толщины грунтово-корневого слоя 2 м могут приниматься следующие приращения удельного сцепления: при степени насыщенности слоя корнями сг-к = сстанд + сдоп, 0,05 % с доп = 3,5 кПа, где сстанд – удельное сцепление, определенное стандартным методом при инженерно-геологических изысканиях (без учета корней); сдоп – дополнительная часть удельного сцепления, определяемая в зависимости от установленной степени насыщенности корнями. то же 0,10 % сдоп = 7,0 кПа, ––– » ––– 0,15 % сдоп = 10,2 кПа, ––– » ––– 0,20 % сдоп = 14,0 кПа, ––– » ––– 0,25 % сдоп = 17,5 кПа. Исходные данные для определения степени насыщенности грунтово-корневого слоя корнями показаны в табл. 1-51. Распределение фитомассы частей деревьев в сосново-дубовых и елово-пихтовых насаждениях Таблица 1 Возраст, лет Порода Число деревьев на 1000 м2 Средние показатели Всего фитомассы в сухом виде, т / 1000 м2 В том числе на 1000 м2 стволов, т/% корней, т/% диаметр ствола, см высота, м 6 Дуб 502 1,7 0,93 0,091 0,02325,3 0,04043,9 – «– Сосна 428 4,1 1,98 0,094 0,2627,7 0,088,5 Всего 930 0,103 0,2827,2 0,12011,7 13 Дуб 404 4,7 5,2 1,26 0,6148,6 0,4636,6 – «– Сосна 340 8,9 7,95 5,03 3,0460,4 0,7515,0 Всего 744 6,29 3,6558,0 1,2219,4 90 Дуб 2 31,1 25,0 5,29 3,8773,2 0,7413,9 – «– Сосна 22 42,3 28,4 28,4 22,0777,7 3,6813,0 Всего 24 33,69 25,9477,0 4,4313,1 18 Ель 82 6,5 5,3 0,48 0,1939,6 0,0816,7 Пихта 482 6,5 5,4 3,28 1,5848,2 0,4814,6 Всего 564 3,76 1,7747,1 0,7515,0 1 Данные приняты по монографиям: Калинин М.И. Формирование корневой системы деревьев. М.: Лесная промышленность, 1983. 152 с., Калинин М.И. Корневедение. М.: Экология, 1991. 173 с. Таблица 2 Средний уровень насыщенности корнями грунтово-корневого слоя в сосновых насаждениях (на 1000 м2) Возраст,лет Число деревьев,шт. Среднее расстояние между деревьями, м Суммарный объем корней, м3 Содержание (объемное) корнейв верхнем слое грунта толщиной 2,5 м, % 14 442 1,5 1,92 0,07 23 285 1,9 2,12 0,085 41 148 2,6 2,68 0,107 90 22 6,8 6,82 0,272 Таблица 3 Средний уровень насыщенности корнями грунтово-корневого слоя в сосново-дубовых насаждениях (на 1000 м2) Возраст,годы Число деревьев,шт. Среднее расстояние между деревьями, м Суммарный объем корней, м3 Содержание (объемное) корнейв верхнем слое грунта толщиной 2,5 м, % 6 930 1,0 0,15 0,006 13 744 1,2 1,52 0,061 90 24 6,4 5,53 0,221 Таблица 4 Средний уровень насыщенности корнями грунтово-корневого слоя в елово-пихтовых насаждениях (на 1000 м2) Возраст,годы Число деревьев,шт. Среднее расстояние между деревьями, м Суммарный объем корней, м3 Содержание (объемное) корнейв верхнем слое грунта толщиной 2,5 м, % 18 564 1,3 0,94 0,038 Дополнительные удерживающие силы Руд в грунтово-корневом слое (наиболее типичные случаи) Таблица 5 Толщина грун тово-корневого слоя, м Степень насыщенности грунтово-корневого слоя корнями, % Площадь пересечения корнейс поверхностью скольжения, см2 Дополнительная удерживающая сила, кН β=0 β=450 β=600 β=0 β=450 β=600 1,5 0,05 7,5 10,5 15,0 5,2 7,4 10,4 0,1 15,0 21,2 30,0 10,2 14,3 20,4 0,15 22,5 31,7 45,0 15,8 22,0 31,6 0,20 30,0 42,3 60,0 21,0 29,4 42,0 0,25 37,5 52,9 75,0 26,2 36,8 52,4 2 0,05 10,0 14,0 20,0 7,0 9,8 14,0 0,1 20,0 20,0 40,0 14,0 19,6 28,0 0,15 30,0 30,0 60,0 21,0 29,4 42,0 0,20 40,0 39,0 80,0 28,0 39,2 56,0 0,25 50,0 49,0 100,0 35,0 49,0 70,0 2,5 0,05 12,5 17,6 25,0 8,8 12,4 17,6 0,1 25,0 35,2 50,0 17,5 24,6 35,0 0,15 37,5 52,8 75,0 26,5 37,4 53,0 0,20 50,0 70,5 100,0 35,0 49,3 70,0 0,25 62,5 88,1 124,0 43,7 61 87,4 3 0,05 15,0 21,0 30,0 10,2 14,8 20,8 0,1 30,0 42,4 60,0 20,4 28,6 40,8 0,15 44,0 63,4 90,0 31,6 44,0 63,2 0,20 60,0 84,6 120,0 42,0 58,8 84,0 0,25 72,0 105,8 150,0 52,4 73,6 104,8 При установленном значении удерживающей силы Руд дополнительную часть удельного сцепления следует определять по формуле , где Руд – удерживающая сила, образующаяся в грунтово-корневом слое (в i-м блоке); li – длина основания рассматриваемого блока (рис. 2). Рис. 2. Схема действующих сил в пределах каждого блока: Pg – собственный вес грунта; Pq – внешняя нагрузка БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Арсланов, А.А., Инновации в оценке устойчивости склонов, покрытых древесной растительностью [Текст] / А.А. Арсланов, И.Б. Рыжков, Р.Ф. Мустафин // Межд. форум по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие новый мир». М.: Издво «Академия наук о Земле», 2010. Калинин, М.И. Формирование корневой системы деревьев [Текст] / М.И. Калинин. М.: Лесная промышленность, 1983. Калинин, М.И. Корневедение [Текст] / М.И. Калинин. М: Экология, 1991. Арсланов, А.А. Оценка степени насыщенности грунтового слоя корнями [Текст] / А.А. Арсланов, И.Б. Рыжков, Р.Ф. Мустафин // Вестник РАСХН. М., 2012. © Арсланов А.А., Мустафин Р.Ф., 2013