Результаты исследований района схода катастрофического селя в июне 2015 года вблизи поселка Цхнети (Грузия)

Нойманн П., Бауэр М.
Компания Baugeologisches Buero Bauer, г. Мюнхен, Германия
mail@baugeologie.de

Кайлиг К.
Мюнхенский технический университет; компания Baugeologisches Buero Bauer, г. Мюнхен, Германия
mail@baugeologie.de

Менабде З., Думбадзе Д.
ООО «Кавказский дорожный проект», г. Тбилиси, Грузия

Введение

В ночь с 13 на 14 июня 2015 года разрушительный селевой поток затопил столицу Грузии Тбилиси. В результате пострадало более 700 человек, 23 из которых погибли. Нанесенный ущерб оценивается более чем в 24 млн долларов США [4].

Катастрофический паводок произошел на реке Вере, находящейся к западу от г. Тбилиси и впадающей в реку Кура (груз. Мтквари). Причиной стали сильные дожди, шедшие в предыдущие 10 дней, что привело к колоссальному подъему уровня воды. Значительно усугубил ситуацию крупный оползень объемом около 1 млн куб. м, временно перекрывший реку. Именно прорыв этой естественной плотины и вызвал катастрофическое наводнение [1, 4]. Максимальный расход воды в реке в это время, по оценкам, составил 468 куб. м/c – почти в два раза больше, чем при наводнении, произошедшем в 1960 году (когда расход был 259 куб. м/c) [4]. Это были самые высокие паводки из когда-либо зарегистрированных на реке Вере.

Оползень, перекрывший эту реку, сошел с южной стороны от нее на участке между поселками Цхнети и Ахалдаба и был результатом комплексного оползневого процесса, включавшего возникновение разных типов оползней (обвалов, осыпей, оползней скольжения и селей). В оползневой зоне две важных дороги были полностью уничтожены обвалом (верхняя дорога на Самадло) и селем (нижняя дорога на Ахалдабу). Поселок Ахалдаба был отрезан от Цхнети, откуда в него в основном поставлялись продукты и другие необходимые товары [1, 4].

На данный момент грузинская компания Caucasus Road Project (CRP) занимается восстановлением указанных дорог, а группа иностранных специалистов, состоящая из сотрудников австрийской компании Trumer Schutzbauten (TS) и немецкой фирмы Baugeologisches Buero Bauer (BBB), консультирует CRP по вопросам оценки и уменьшения оползневой опасности и разработки систем раннего предупреждения (СРП).

Участок исследований

Зона рассматриваемого оползня находится примерно в 10 км к западу от Тбилиси – между поселками Цхнети и Ахалдаба (рис. 1). Бровка верхней стенки срыва находится на высоте 1 410 м над уровнем моря, почти на гребне горного хребта к западу от Цхнети. Крутизна склона между этой стенкой срыва и дорогой на Ахалдабу (расположенной на абсолютной высоте 910 м) очень велика и в среднем составляет 29 град. Крутизна склона между дорогой на Ахалдабу и рекой Вере (высотная отметка которой составляет 620 м) значительно меньше и в среднем равна 6,5 град.

Рис. 1. Расположение зоны оползня между поселками Цхнети и Ахалдаба. Ортофотоснимок предоставлен Фондом муниципального развития

Коренные породы склона состоят из двух дочетвертичных кайнозойских осадочных формаций. Одна из них относится к олигоцену и состоит из аргиллитов и тонких слоев песчаника. В нижней части этой формации преобладают аргиллиты, а в верхней – песчаники. Мощность этой формации может достигать 2 000 м. Вторая формация относится к верхнему эоцену и образована толстослоистыми песчаниками, чередующимися со слоями аргиллитов в результате флишевого осадкообразования. Эти формации разбиты большим количеством разломов и трещин [1].

Методы исследований

Геолого-геоморфологическое картирование

С целью разработки системы раннего предупреждения для восстанавливаемых дорог потребовалось проведение подробного инженерно-геологического картирования с упором на пространственное распределение и свойства геологических формаций, геоморфологические характеристики оползней и возможные оползневые процессы. Для этой работы грузинская компания CRP пригласила специалистов немецкой фирмы BBB. Первые этапы картографирования были выполнены в ноябре 2017 года и в марте 2018 года. Была закартирована территория площадью 80 га в масштабе 1:1000. Созданная карта послужила важной основой для дальнейших этапов работы – обеспечения безопасности строительных работ и создания эффективных систем раннего предупреждения.

Картографирование с помощью беспилотного летательного аппарата

Дополнительно в марте 2018 года были выполнены картирование территории с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и фотограмметрическая реконструкция. Цель этих работ – создание обновленной цифровой модели рельефа (ЦМР) для зоны схода оползня (рис. 2, А). Использованные технологии могут обеспечить создание ЦМР с высоким разрешением и получение ценной информации о геоморфологии оползневой зоны. Запланированы и будущие исследования для того, чтобы количественно оценить геоморфологические изменения в соответствии с подходом «создание разновременных ЦМР» [5]. С помощью БПЛА было закартировано около 27 га – от бровки срыва оползня до участка склона на 600 м ниже дороги на Ахалдабу.

Наземное лазерное сканирование

В марте 2018 года с двух площадок в зоне оползня было выполнено наземное лазерное сканирование (НЛС) (рис. 2, Б). Выше дороги на Самадло была просканирована область возможного опасного обвала с целью точного определения его объема. При последующих исследованиях с помощью НЛС можно будет количественно оценить вероятные смещения грунтов, например с помощью алгоритма М3С2, предложенного в работе [3]. Кроме того, были исследованы зоны выше и ниже дороги на Ахалдабу, чтобы количественно оценить стабильность склона и объемы материала, которые могут сместиться и внести вклад в формирование оползней или селевых потоков. Здесь также планируется провести дополнительные исследования в будущем для оценки геоморфологических изменений.

Рис. 2. Съемка с помощью беспилотного летательного аппарата (А) и наземного лазерного сканирования (Б), выполненная в исследуемой оползневой зоне в марте 2018 года

Результаты

Несмотря на то что данные съемки с помощью беспилотного летательного аппарата и наземного лазерного сканирования все еще находятся на стадии обработки, уже могут быть представлены первые результаты геологического и геоморфологического картирования (рис. 3).

Рис. 3. Упрощенная геолого-геоморфологическая карта-схема зоны оползня (слева), основанная на картировании с высоким разрешением (справа – А, Б)

Олигоценовая формация (рис. 4, А, Б) является очень тонкослоистой и в основном состоит из аргиллитов и алевролитов. Слои имеют толщину от 0,5 до 15 см (в среднем 2 см). Также часто встречаются прослои песчаника. Эта формация обнажается в основном ниже дороги на Самадло. Она имеет падение на север со средним углом 30–35 град., является складчатой и разбита разломами и трещинами.

Эоценовая формация (рис. 4, В, Г) по напластованию варьирует от тонко- до толстослоистой. В ней преобладают песчаники с прослоями аргиллитов и алевролитов. Кроме того, в этой формации были встречены конгломераты (рис. 4, Г), частично очень крупнозернистые, как в виде согласно залегающих прослоев, так и в виде несогласного заполнения эрозионных впадин. Слои имеют толщину от 1 см до 2,5 м (в среднем около 0,8 м). Эта формация обнажается главным образом выше дороги на Самадло. Она имеет падение на север со средним углом 30–35 град., является складчатой и разбита разломами и трещинами. Пока не полностью ясно, согласно или несогласно залегают эти две формации, а также имеется ли между ними разрыв сплошности.

Рис. 4. Формации исследованного участка: (А) обнажение тонкослоистой формации у дороги на Самадло; (Б) контакт тонкослоистой формации с преобладающим аргиллитом; (В) песчаник толстослоистой формации; (Г) конгломерат толстослоистой формации (фото K. Кайлига)

Как уже было упомянуто выше, эти формации имеют падение на север со средним углом 30–35 град. Следовательно, напластование в них идет более или менее параллельно поверхности самого склона. Такая геологическая обстановка делает весь горный хребет к западу от Цхнети сильно подверженным оползнеобразованию. Во время картирования были обнаружены оползни, которые не были активны во время события 2015 года, но обладают гораздо более старой (по оценкам, 60–150 лет) историей смещений (на рис. 3 серыми сплошными линиями показаны границы крупных смещений до 2015 года). Несмотря на то что полной активизации этих старых оползней не произошло, есть признаки недавних смещений, которые могут привести к их активизации в будущем.

На основе выполненных геолого-геоморфологических исследований была построена карта, на которой выделены разные типы оползней, а также их активность или вероятность (рис. 5). Эта карта может помочь с выбором типов защитных (подпорных) сооружений, систем мониторинга или необходимых мер в будущем.

Рис. 5. Карта, на которой отражены разные типы смещений грунтов (показанные разными цветами) и их вероятности (показанные значками)

В результате выполненного картирования было получено предварительное представление о факторах и триггерных механизмах, вызывающих возникновение оползней в рассматриваемом районе (рис. 6). По предположению авторов, грунтовые воды и поровое давление явились основными факторами, вызвавшими событие 2015 года. Вероятно, уровень грунтовых вод значительно поднялся за десять дней обильных дождей, шедших перед этим. Типы напластований и трещиноватости формаций были причинами возникновения потока подземных вод, параллельного поверхности склона. При этом, возможно, присутствовавшие там прослои глин долго не давали этому потоку вытечь наружу. Поэтому в нижних частях склона могло очень сильно повыситься поровое давление, что привело к его дестабилизации вплоть до разрушения из-за взрывопододобных выходов воды в районе дороги на Ахалдабу. Затем развитие оползня продвинулось и к верхним частям склона.

Рис.6. Предварительная модель триггерного механизма возникновения оползня в районе Цхнети

Результаты исследований степени трещиноватости и блочности во время картирования были использованы для того, чтобы оценить энергию обвалов и определить необходимые параметры защитных барьеров против них вдоль дороги на Самадло (рис. 7). В апреле 2018 года началось строительство противообвального ограждения, которое будет создано вдоль всей зоны схода оползня 2015 года над дорогой, идущей к Самадло.

Рис. 7. Монтаж противообвального ограждения фирмой Trumer для защиты дороги на Самадло (апрель 2018 г., фото Д. Думбадзе)

Выводы

Исключительные климатические условия в 2015 году привели к крайне неблагоприятному сочетанию очень большого расхода воды в реке Вере и ее перекрытия оползнем, который затем прорвался, что и вызвало катастрофический сход селя и наводнение в Тбилиси.

Горный хребет, с которого сошел оползень, очень сильно подвержен оползнеобразованию из-за особенностей падения слоев пород и чередования пластов сланцеватых аргиллитов и хрупких песчаников.

Построение карт очень важно для создания инженерно-геологической модели изучаемого склона, определения дестабилизирующих его факторов, обеспечения безопасности строительных работ и разработки системы раннего предупреждения. Поскольку были обнаружены признаки будущих смещений грунтов, то с точки зрения авторов необходимо продолжить картирование оставшейся части рассматриваемого склона.

Перспективы

Картирование бровки срыва изучаемого оползня и окружающей его территории уже показало свою ценность, однако эту работу необходимо продолжить, чтобы точно оценить опасность для села Ахалдаба и выявить другие потенциально опасные участки соответствующего горного хребта. Уже запланированы дальнейшие исследования с помощью беспилотного летательного аппарата и наземного лазерного сканирования в ближайшие годы. В настоящее время проводится установка нескольких трещиномеров в местах предполагаемых оползней скольжения или обвалов. Деформации в зонах мелких и более глубоких оползней будут отслеживаться с помощью экстензометров, чтобы определить, продолжаются ли смещения новых оползней и активизируются ли старые оползни. Уже запланировано бурение скважин для измерения деформаций и гидрогеологических замеров в ближайшее время. Также в ближайшее время планируется провести геофизические исследования, которые должны сыграть важную роль в подтверждении и уточнении предварительной модели триггерных механизмов оползнеобразования, в определении деформаций, глубины возникновения возможных плоскостей скольжения и других важных аспектов.

Авторы данной работы выражают благодарность компании Caucasus Road Project, в особенности П. Трапаидзе, за предоставление возможности участия в этом увлекательном и сложном проекте, а также за помощь в отношении размещения и проезда к месту исследований. Хотелось бы поблагодарить профессора К. Тхуро, профессора М. Краутблаттера и доктора Б. Селлмейр из Технического университета Мюнхена за предоставление измерительного оборудования и за участие в обсуждении различных тем относительно рассмотренного в статье проекта. Авторы признательны доктору В. Страка из Венского университета природных ресурсов и естественных наук за консультации, в особенности по гидравлическим проблемам и селям, а также команде HydroDiagnostics, оказавшей помощь в планировании работ, бурении скважин, установке трещиномеров и другого измерительного оборудования.

Список литературы

1. Gaprindashvili G., Gaprindashvili M., Tsereteli E. Natural disaster in Tbilisi City (Riv. Vere Basin) in the Year 2015 // International Journal of Geosciences. 2016. Vol. 7. P. 1074–1087.
2. Gudjabidze G.E. Geological map of Georgia, 1 : 500 000. Georgian State Department of Geology and National Oil Company «Saqnavtobi», 2003.
3. Lague D., Brodu N., Leroux J. Accurate 3D comparison of complex topography with terrestrial laser scanner: application to Rangitikei canyon (N-Z) // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 2013. Vol. 82. P. 10–26.
4. Tbilisi disaster needs assessment. UNDP, 2015. Part 1 (final draft).
5. Wheaton J.M., Brasington J., Darby S.E., Sear D.A. Accounting for uncertainty in DEMs from repeat topographic surveys: improved sediment budgets // Earth Surface Proceses and Landforms, 2010. Vol. 35. № 2. P. 136–156.