Роль древесной растительности при оценке устойчивости склонов

Автор: Арсланов А.А., Мустафин Р.Ф.

Журнал: Лесохозяйственная информация @forestry-information

Статья в выпуске: 2, 2016 года.

Бесплатный доступ

В статье изложены методы количественной оценки учёта влияния древесной растительности на устойчивость склонов, которые можно использовать при проектно-изыскательских работах. Приводятся научное обоснование эколого-эрозионной устойчивости склонов и результаты апробации методики расчета удельного сцепления грунта корнями древесной растительности в корнеобитаемом слое толщиной 2,0±0,5 м.

Грунтово-корневой тюфяк, древесная растительность, удельное сцепление грунта, расчёт укрепления склонов

Короткий адрес: https://sciup.org/14336724

IDR: 14336724

Текст научной статьи Роль древесной растительности при оценке устойчивости склонов

Арсланов, А. А. Роль древесной растительности при оценке устойчивости склонов [Электронный ресурс] / А. А. Арсланов, Р. Ф. Мустафин // Лесохоз. информ. : электрон. сетевой журн. – 2016. – № 2. – С. 58–64. URL:

О беспечение устойчивости склонов и откосов – типичная задача, с которой сталкиваются специалисты по природообуст-ройству, ведущие работы в условиях сложного рельефа. Проблема устойчивости откосов имеет тысячелетнюю историю. Однако существующие методы расчетов не всегда учитывают многие важные факторы. Влияние некоторых из них зачастую оценивается только на основе накопленного инженерного опыта. В наибольшей мере это относится к учету влияния древесной растительности на эрозионную устойчивость склонов. И это несмотря на то, что широко известна способность растущих на склонах деревьев и кустарников снижать опасность возникновения оползней [1–6].

Практически во всех регионах нашей страны можно найти примеры, когда уничтожение растительности приводило к обрушению склонов, которые до этого многие десятилетия сохраняли устойчивость. Агролесомелиоративные мероприятия и посадка на склонах древесно-кустарниковой растительности рассматриваются как одно из важнейших противооползневых мероприятий [4, 5, 7]. Такого же мнения придерживаются и ученые зарубежных стран. Однако ни в нашей стране, ни за рубежом количественные критерии оценки влияния древесно-кустарниковой растительности на устойчивость склонов не установлены.

В настоящее время при определении устойчивости склонов наличие или отсутствие древесно-кустарниковой растительности в инженерных расчетах не учитывается. Посадка деревьев на склонах обычно рассматривается как природоохранное (экологическое) мероприятие без какой-либо количественной оценки. Исследования данного вопроса, проводившиеся в Башкирском государственном аграрном университете (БГАУ) совместно с институтом БашНИИстрой, показали, что при оценке устойчивости склонов количественная оценка учета древесно-кустарниковой растительности представляется вполне разрешимой задачей [7–10].

Нами разработаны методы количественной оценки учета влияния древесной растительнос- ти на устойчивость склонов, которые можно использовать при существующем уровне проектноизыскательских работ, изыскательском оборудовании, методах расчета, программных комплексах. Результаты исследований апробированы при проведении изыскательских работ объекта строительства «Санно-бобслейная трасса» в Сочи и анализе состояния дорожного полотна в Уфе.

Рассмотрим методику определения армирующего действия корневых систем деревьев. Грунтово-корневой тюфяк, покрывающий склон, следует рассматривать как отдельный инженерно-геологический элемент.

Толщину грунтово-корневого слоя принимаем в пределах 2,0±0,5 м. В случае преобладания древесных пород с неглубокой корневой системой (береза, липа, пихта, ель обыкновенная и др.) толщину следует принимать равной 1,5 м, а при преобладании пород с глубокой корневой системой (дуб, сосна обыкновенная, ель сибирская и др.) – 2,5 м.

Увеличение прочности грунта (по сравнению с прочностью грунта, не содержащего корней) устанавливают путем принятия повышенных значений удельного сцепления грунта (с) [7–9].

Расчетную степень насыщенности грунта корнями (К) устанавливают по результатам обследования надземной части растительности и определяют по формуле:

К = Коп/γt , где:

Коп – степень насыщенности грунта корнями, определенная путем визуальной оценки в момент изысканий;

γ _t – коэффициент надежности, учитывающий густоту размещения деревьев, определяемую по среднему возрасту древесной растительности: до 30 лет – γ _t = 1,0; 60 лет – γ _t = 1,2; более 60 лет – γ _t = 1,4.

Дополнительная удерживающая сила, образующаяся в грунтово-корневом слое различной толщины, отображена в табл. 1.

В расчетах устойчивости склона удельное сцепление (в пределах грунтово-корневого

Таблица 1. Дополнительная удерживающая сила Р_уд в грунтово-корневом слое [7–9]

Толщина грунтовокорневого	Степень насыщенности грунтовокорневого слоя	Площадь пересечения корней с поверхностью скольжения, см²			Дополнительная удерживающая сила, кН
слоя, м	корнями, %	β =0^о	β =45⁰	β =60⁰	β =0^о	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	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	61,0	87,4
3,0	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

Примечание. β – угол между корнем дерева и поверхностью скольжения почвогрунта склона.

Таблица 2. Распределение фитомассы в сосново-дубовых и елово-пихтовых насаждениях

Возраст, лет	Порода	Число деревьев, шт./ га	Средние		Фитомасса в сухом виде
Возраст, лет	Порода	Число деревьев, шт./ га	диаметр	высота, м	всего, т/га	в том числе*
			ствола, см	высота, м		стволов	корней
6	Дуб	5 020	1,7	0,93	0,91	0,23 / 25,3	0,40 / 43,9
	Сосна	4 280	4,1	1,98	9,4	2,6 / 27,7	0,8 / 8,5
	Итого	9 300	-	-	10,3	2,8 / 27,2	1,2/ 11,7
13	Дуб	4 040	4,7	5,2	126	6,1 / 48,6	4,6 / 36,6
	Сосна	3 400	8,9	7,95	503	30,4 / 60,4	7,5 / 15,0
	Итого	7 440	-	-	629	36,5 / 58,0	12,2 / 19,4
90	Дуб	20	31,1	25,0	52,9	38,7 / 73,2	7,4 / 13,9
	Сосна	220	42,3	28,4	284	220,7 / 77,7	36,8 / 13,0
	Итого	240	-	-	336,9	259,4 / 77,0	44,3 / 13,1
18	Ель	820	6,5	5,3	4,8	1,9 / 39,6	0,8 / 16,7
	Пихта	4 820	6,5	5,4	32,8	15,8 / 48,2	4,8 /14,6
	Итого	5 640	-	-	37,6	17,7 / 47,1	7,5 / 15,0

* Числитель – т/га; знаменатель – %

Таблица 3. Средний уровень насыщенности корнями грунтово-корневого слоя [7, 8]

Возраст, лет Число деревьев, шт./га Среднее расстояние между деревьями, м Суммарный объем корней, м3/га Содержание (объемное) корней в верхнем слое грунта толщиной 2,5 м, % Сосновые насаждения 14 4420 1,5 19,2 0,070 23 2850 1,9 21,2 0,085 41 1480 2,6 26,8 0,107 90 220 6,8 68,2 0,272 Сосново-дубовые насаждения 6 9300 1,0 1,5 0,006 13 7440 1,2 15,2 0,061 90 240 6,4 55,3 0,221 Елово-пихтовые насаждения 18 5640 1,3 9,4 0,038 слоя) принимается в виде эквивалентной величины сг-к:

с г-к = с станд + с доп , где:

сстанд – удельное сцепление, определенное стандартным методом при инженерно-геологических изысканиях без учёта корней, кПа;

сдоп – дополнительная часть удельного сцепления, определяемая по установленной степени насыщенности корнями, кПа.

Пример расчета удельного сцепления для толщины грунтово-корневого слоя 2 м:

Оценка устойчивости склона с древесно-кустарниковой растительностью может проводиться любым традиционным методом расчета (методами теории предельного равновесия, методом круглоцилиндрических поверхностей, ломаных поверхностей и т. д.) без каких-либо изменений алгоритма, т. е. при установленном значении удерживающей силы (Руд) дополнительную часть удельного сцепления (сдоп) следует определять по формуле:

с доп

Р уд /l i ,

Степень насыщенности слоя корнями, %	0,05	0,10	0,15	0,20	0,25	0,50	1,00
Дополнительная часть удельного сцепления, с доп , кПа	3,5	7,0	10,2	14,0	17,5	35,0	70,0

где:

Руд – удерживающая сила, образующаяся в грунтово-корневом слое (в i-м блоке);

li – длина основания рассматриваемого блока, м.

При апробации методики расчета устойчивости склона с учетом древесной растительности нами получены данные по распределению фито-

массы в сосново-дубовых и елово-пихтовых насаждениях (табл. 2) и данные о среднем уровне насыщенности корнями грунтово-корневого слоя в сосновых, сосново-дубовых и елово-пихтовых насаждениях (табл. 3).

Таким образом, для выполнения расчетов устойчивости склонов, покрытых древесно-кустарниковой растительностью, в процессе инженерных изысканий должна быть получена следующая дополнительная информация:

✓ наличие деревьев или кустарников в зоне гребня и в нижней части оползневого склона;
✓ густота деревьев в зоне предполагаемого оползня – среднее количество деревьев на 1 га;
✓ средний диаметр стволов деревьев в зоне предполагаемого оползня;
✓ преобладающая древесная порода в зоне

предполагаемого оползня.

Апробация методики показала, что 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 и их впитывание в грунт;
✓ деревья способны удерживать сползающие массы грунта при покровных оползнях небольшой глубины (до 1,5–2,0 м);
✓ корневая система деревьев способна оказывать армирующее действие на оползневый склон;
✓ корневая система древесно-кустарнико-
вой растительности при оползневых процессах создает дополнительную удерживающую силу, величина которой определяется насыщенностью корнями верхних 1,5–2,0 м грунтово-корневого слоя;

✓ насыщенность и, соответственно, сопротивляемость сдвигающим нагрузкам можно приближенно оценивать по надземной части растительности, произрастающей на склоне;
✓ корневые системы обусловливают формирование грунтово-корневого тюфяка толщиной 1,5–2,0 м, покрывающего поверхность склона, его гребень и нижнюю часть [7–10].

Список литературы Роль древесной растительности при оценке устойчивости склонов

Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП-22-02-2003. -М., 2012. -65 с.
Калинин, М. И. Формирование корневой системы деревьев. -М.: Лесн. пром-сть, 1983. -152 с.
Калинин, М. И. Корневедение. -М.: Экология, 1991. -173 с.
Жидков, А. Н. Фиторемедиация полигонов складирования сульфата кальция в целях рационального использования земель для лесовыращивания/А. Н. Жидков, Л. Л. Коженков//Проблемы воспроизводства лесов в Российской Федерации. -Пушкино, ВНИИЛМ, 2015. -С. 61-69.
Кураев, В. Н. Почвенно-экологические исследования ВНИИЛМ: достижения и перспективы//ВНИИЛМ -80 лет научных исследований. -Пушкино: ВНИИЛМ, 2014. -С. 155-165.
Мартынюк, А. А. Экологические проблемы в исследованиях ВНИИЛМ/А. А. Мартынюк, А. Н. Жидков, Л. Л. Коженков//ВНИИЛМ -80 лет научных исследований. -Пушкино: ВНИИЛМ, 2014. -С. 143-154.
Рыжков, И. Б. О количественном учете древесно-кустарниковой растительности при расчетах устойчивости склонов/И. Б. Рыжков, А. А. Арсланов, Р. Ф. Мустафин//Основания, фундаменты и механика грунтов. -М., 2014. - №3. - С. 21-25.
Рыжков, И. Б. Влияние корневой системы древесной растительности на устойчивость склонов/И. Б. Рыжков, Р. Ф. Мустафин, А. А. Арсланов//Вестник МГСУ. -2011. -№ 1. -С. 210-214.
Рыжков, И. Б. Исследование влияния корневой системы древесной растительности на устойчивость склонов/И. Б. Рыжков, Р. Ф. Мустафин, А. А. Арсланов//Вестник БГАУ. -2011. -№ 1. -С. 64-68.
Арсланов, А. А. Рекомендации по учету древесно-кустарниковой растительности при расчетах устойчивости склонов/А. А. Арсланов, Р. Ф. Мустафин//Вестник СГАСУ. -2013. -№ 1. -С. 76-80.

Еще

Статья научная