Введение

Масштабное развитие открытых горных работ в Казахстане и странах СНГ привело к формированию обширных площадей техногенно нарушенных территорий, где обнажаются неустойчивые откосы, борта карьеров и отвалы. Эти искусственные формы рельефа, являясь продуктом техногенной деятельности, характеризуются сложными инженерно-геологическими условиями, неоднородной структурой массива, наличием ослабленных зон и повышенной склонностью к деформационным процессам. Поэтому обеспечение устойчивости бортов и откосов карьеров при последующей рекультивации является важнейшей инженерной задачей, связанной с безопасностью и эффективным использованием нарушенных земель.

Устойчивость откосов в карьерах определяется сочетанием природных и техногенных факторов — геологическим строением массива, типом пород, их физико-механическими характеристиками, развитием поверхностных и подземных вод, воздействием климатических процессов, а также параметрами горнотехнических сооружений [1]. Потеря устойчивости откосов приводит к деформациям, оползням, сдвигам и осыпям, которые представляют угрозу для людей, техники и инфраструктуры, а также делают невозможной последующую рекультивацию территории без дополнительных инженерных мероприятий.

Анализ современных исследований показывает, что основными причинами потери устойчивости откосов являются ошибки в проектировании геометрии бортов, недооценка слабых грунтовых прослоек и водонасыщенных зон, отсутствие эффективной дренажной системы и несоблюдение технологической последовательности при формировании уступов. В работах отечественных и зарубежных авторов (Титов В. И., 2018; Назаров К. А., 2021; Овчаренко А. В., 2019) отмечается, что даже при соблюдении нормативных углов откоса, наличие фильтрационных потоков или повышенная влажность пород могут резко снизить противодействующую сдвигу силу, особенно в глинистых и суглинистых массивах [2].

В инженерной практике при оценке устойчивости откосов широко применяются методы предельного равновесия, в которых рассчитывается коэффициент устойчивости K _u = — отношение моментов удерживающих и сдвигающих сил. Для обеспечения надежной эксплуатации и безопасной рекультивации откосов принимается K _u ≥ 1,25–1,3 в обычных условиях и K _u ≥ 1,5 при водонасыщении или наличия динамических воздействий. При этом на величину коэффициента устойчивости существенно влияют геометрические параметры откоса (высота H, угол наклона β), прочностные характеристики пород (сцепление c, угол внутреннего трения φ) и уровень грунтовых вод. Оптимизация этих параметров позволяет минимизировать риск оползней и обеспечить стабильность склонов даже после завершения горных работ.

Рекультивация техногенно нарушенных территорий после вскрышных и добычных работ требует комплексного инженерного подхода. На стадии подготовки карьера к закрытию проводится анализ напряжённо-деформированного состояния массива, выявление потенциальных зон сдвижения, определение предельных углов откоса и расчет баланса земляных масс для перепрофилирования. Одной из эффективных мер стабилизации откосов является террасирование, позволяющее снизить общий угол наклона и распределить массу пород по высоте склона. В сочетании с дренажными канавами и противофильтрационными слоями террасная система обеспечивает отвод поверхностных и фильтрационных вод, что значительно увеличивает долговременную устойчивость массива.

Для обеспечения инженерной надежности рекультивируемых бортов также применяются мероприятия по искусственному уплотнению и армированию грунтового массива. В частности, использование георешеток, анкерных систем и армогрунтовых конструкций позволяет увеличить прочность склонов и предотвратить развитие сдвижений на наиболее опасных участках. Такие технологии активно применяются при восстановлении старых угольных и железорудных карьеров, где наблюдаются обрушения верхних уступов из-за переувлажнения и дренажных нарушений.

Особое влияние на устойчивость оказывает водный режим техногенных массивов. Подъём уровня подземных вод, фильтрация через трещиноватые участки и накопление талых или дождевых вод на бортах карьера могут инициировать локальные срывы откоса. Поэтому при разработке проекта рекультивации приоритетным является устройство системы дренажа — горизонтальных и вертикальных водоотводов, перехватывающих каналов, геомембранных экранов и обратных фильтров [2,8]. Эти инженерные решения обеспечивают понижение уровня грунтовых вод и стабилизируют потенциал порового давления, препятствуя сдвигам.

Таким образом, обеспечение устойчивости бортов и откосов карьеров при рекультивации техногенно нарушенных территорий является комплексной инженерно-технической задачей, включающей оценку геомеханических свойств пород, учет гидрогеологических условий, проектирование оптимальной геометрии откосов и применение современных методов их стабилизации. Эффективное решение этой задачи позволяет не только предотвратить развитие опасных деформаций, но и создать предпосылки для безопасного дальнейшего использования рекультивированных территорий в промышленности, строительстве или хозяйственной деятельности.

Методика исследования. Проведение инженерного анализа устойчивости откосов и бортов карьера при рекультивации техногенно нарушенных территорий включает комплекс полевых, лабораторных и расчётно-аналитических процедур. Методика исследования разработана в соответствии с требованиями СП РК 1.04–104–2019 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» и СП 116.13330.2017 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов» [1, 2].

Исследование проводилось в три этапа:

– Подготовительное обследование и сбор исходных данных;

– Инженерно-геологическое и геотехническое исследование массива откосов;

– Расчет и моделирование устойчивости откосов, определение коэффициента запаса устойчивости.

1. На первом этапе выполнялся сбор и анализ исходных данных о геологических и горнотехнических условиях объекта. Были использованы:

– архивные материалы по результатам инженерно-геологических изысканий;

– топографические и геодезические планы в масштабе 1:500;

– сведения о параметрах проектных и фактических углов откосов, высот уступов, ширине межустановочных берм;

– гидрогеологические данные о положении уровня подземных вод и сезонных колебаниях влажности.

На основе этих данных составлена схема техногенного рельефа (см. Рисунок 1), отражающая пространственную конфигурацию бортов, профиль уступов и зоны потенциальной неустойчивости.

Рис. 1. Схема строения исследуемого карьера и расположение инженерно-геологических выработок

2. Для определения физико-механических характеристик пород и грунтов, слагающих борта и откосы, проводилось бурение контрольных скважин глубиной до 15 м и отбор монолитных образцов. Лабораторные испытания включали определение следующих параметров:

Таблица 1

Средние физико-механические показатели грунтов бортов карьера

Данные таблицы свидетельствуют, что грунты характеризуются относительно низким сцеплением и средней степенью водопроницаемости, что при значительном увлажнении массива может вызвать потерю устойчивости.

По результатам инженерно-геологического анализа выделены следующие слои, типичные для борта карьера:

– Суглинок пластичный, слабоуплотнённый, с влажностью 12–15 %, обладает низкой устойчивостью при переувлажнении.

– Суглинок плотный, с коэффициентом сцепления до 35 кПа — основной несущий пласт.

– Песчаники с вкраплениями гравия и глины — характеризуются трещиноватостью и требуют противофильтрационных мер.

– Гравийно-песчаная смесь, водоносная, с повышенным фильтрационным потоком.

3. Расчёт устойчивости откосов проводился методом предельного равновесия в сечении возможного сдвига, согласно рекомендациям СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» и EN 1997–1:2004 Eurocode 7 [3, 4].

Общий коэффициент устойчивости определялся из соотношения удерживающих и сдвигающих моментов:

(1)

Где, c — сцепление грунта, кПа;

L — длина потенциальной поверхности скольжения, м;

β — угол наклона откоса, °;

W — вес призмы потенциального сдвига, кН/м;

φ — угол внутреннего трения, °.

Расчеты проводились для трёх характерных сечений борта (верхний, средний и нижний уступ) при различных уровнях подземных вод (Рисунок 2).

Рис. 2. Схема к расчету устойчивости откоса методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения (по методу Бишопа), где 1 — траектория возможного сдвига массива; 2 — центр; 3 — вес призмы сдвига; 4 — сдвигающая сила; 5 — удерживающая (реакция опоры); 6 — β угол откоса; 7 — высота откоса; 8 — Зона потенциального сдвига; 9 — Сопротивляющий момент; 10 — Сдвигающий момент Mᵈ

При водонасыщении грунтов эффективность удерживающих сил снижается за счёт повышения порового давления. Снижение эффективных напряжений определяется выражением:

σ’= σ-u=γz-γ _w h _w (2)

Где, σ’ — эффективное напряжение, кПа;

σ — полное давление от веса грунта;

u — поровое давление воды;

γz– удельный вес воды, кН/м³;

z, h _w – глубина точки расчёта и высота уровня грунтовых вод respectively.

Расчет выполнялся для нескольких сценариев:

а) сухое состояние откоса;

б) сезонное переувлажнение весной;

в) водонасыщение при отсутствии дренажа.

Результаты расчётов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Расчётные коэффициенты устойчивости откосов при различных гидрогеологических условиях

Полученные значения показывают, что при водонасыщении коэффициент устойчивости снижается до 0,9 < 1,0, что указывает на потенциальную неустойчивость массива, необходимость дренажа и уменьшения угла откоса при последующей рекультивации.

4. С использованием зависимости и исходных данных геомеханических параметров рассчитан предельный угол откоса, при котором достигается нормативный коэффициент устойчивости K _u = 1.25:

(3)

Для исследуемого массива при H = 30 м, c = 25 кПа, φ = 30°, γ = 18 кН/м³ получено:

Β _доп = arctan 35° ≈ 35–36°

Таким образом, при рекультивации рекомендуется перепрофилирование откоса до угла 35° с устройством террас через каждые 10 м по высоте, что позволит достичь нормативного запаса устойчивости.

5. На основании расчётных данных сформирован комплекс инженерно-технических мероприятий, направленных на стабилизацию склонов карьера:

– Гидрогеологические меры: устройство дренажных галерей и перехватывающих канав для снижения уровня подземных вод; применение фильтрующих обратных засыпок и геокомпозитов.

– Геотехнические меры: перепрофилирование откосов до безопасных углов, уплотнение и армирование слоёв георешётками.

– Конструкционные меры: возведение противооползневых берм в нижней части откоса, анкеровка верхних бровок, формирование террас с дренажными кюветами.

– Мониторинг: установка инклинометров и реперов для контроля смещений пород и оседаний после рекультивации.

Рис. 3. Инженерная схема устойчивого откоса после рекультивации: 1 — террасы; 2 — бермы; 3 — дренажная система; 4 — анкерные крепления; 5 — георешётка; 6 — контрольные реперы; 7 — зона фильтрации; 8 — горизонт подземных вод; 9 — укреплённый слой грунта; 10 — направление стока воды

Таким образом, предлагаемая методика обеспечивает комплексный подход к оценке и обеспечению устойчивости техногенных склонов, объединяя полевые наблюдения, лабораторные испытания и расчетные методы анализа, что соответствует современным требованиям инженерной геомеханики [5].

Результаты и обсуждение. На основании представленных в разделе «Методика исследования» исходных данных были выполнены расчёты устойчивости откосов и прогноз деформационного поведения породного массива после проведения рекультивационных мероприятий. Расчёт проводился методами Бишопа и Феллениуса в программной среде Plaxis 2D и проверен вручную по формулам (1)–(3).

Основное внимание уделялось влиянию гидрогеологических условий, угла наклона откоса β и параметров сцепления c и φ на значение коэффициента устойчивости Kₑ.

Результаты расчётов сведены в таблице 3.

Таблица 3

Расчётные значения коэффициента устойчивости откоса в различных условиях эксплуатации

Из таблицы видно, что при угле откоса β > 38° происходит потеря устойчивости: коэффициент устойчивости Kₑ снижается ниже критического уровня 1,0. Это свидетельствует о необходимости перепрофилирования откосов до безопасных параметров и устройства дренажных систем.

1. Анализ эпюр напряжений, полученных в результате расчётного моделирования, показал, что максимальные касательные напряжения локализуются в нижней трети откоса — в зоне формирующегося скользящего круга.

В этих участках (глубина 10–15 м от поверхности) наблюдается перегрузка по касательным напряжениям до 110–130 кПа при выдерживающей способности грунта 90–100 кПа.

После внедрения водоотводных дрен и перепрофилирования откоса под углом β = 35° уровень этих напряжений снизился на 28–32 %, что подтверждает эффективность инженерных решений по стабилизации.

Для количественной оценки изменения напряжений использована зависимость:

τ _max =c+σ′tanφ (4)

Где, τₘₐₓ — максимальное касательное напряжение, кПа;

σ′ — эффективное нормальное напряжение, кПа;

c — сцепление грунта;

φ — угол внутреннего трения.

В случае снижения порового давления u на 15–20 кПа (за счёт дренажа) величина σ′ увеличивается, что повышает удерживающий момент и вызывает рост Kₑ на 0,2–0,3 единицы.

2. Высота уступа H оказывает прямое влияние на устойчивость: при увеличении высоты H в 2 раза (например, с 15 до 30 м) коэффициент устойчивости падает примерно на 20–25 % при прочих равных параметрах.

Рекомендуемая зависимость для инженерных расчётов имеет вид:

(5)

Где, K₍ᵤ₀₎ — исходный коэффициент устойчивости при высоте H₀,

H — фактическая высота уступа.

Пример: при H₀ = 15 м и K₍ᵤ₀₎ = 1,45 → для H = 30 м получаем Kᵤ ≈ 1,22.

Расчёт показывает, что даже при уменьшении угла наклона с 38° до 35° высота уступа свыше 25 м требует дополнительного террасирования — бермы шириной 3–5 м через каждые 10–12 м по высоте.

3. Для обеспечения устойчивости борта предлагается следующий комплекс инженерных мероприятий:

– Перепрофилирование откосов с уменьшением угла наклона до 35°.

– Террасирование – формирование берм 3–5 м через 10 м по высоте.

– Дренажная система – поверхностные канавы и продольные дрены диаметром 100–150 мм на глубине 1,5–2 м.

– Армогрунтовое укрепление – укладка георешётки с ячейкой 50×50 мм, засыпка щебнем фракции 20–40 мм.

– Анкерное закрепление – бурение скважин Ø 80–100 мм и установка напряжённых анкеров с нагрузкой до 100 кН.

После реализации указанных мер в модельных расчётах значение коэффициента устойчивости увеличилось до Kₑ = 1,42–1,47, что соответствует требованиям СП 116.13330.2017 [2].

4. Наблюдения за деформациями откосов в течение 12 месяцев после проведённых работ показали стабилизацию вертикальных смещений на уровне ≤ 15 мм в год, что допускается нормами технической эксплуатации.

По данным геодезического мониторинга:

Таблица 4

Динамика изменений устойчивости и деформаций откосов после рекультивации

Данные подтверждают: после стабилизации водного режима и перепрофилирования геометрии борта массив пришёл в устойчивое состояние; дальнейшие деформации имеют затухающую тенденцию.

5. Проведённые исследования подтверждают, что на устойчивость откосов при рекультивации решающее влияние оказывают три комплекса факторов:

Гидрогеологический — повышенное увлажнение снижает Kₑ до 0,9–1,0; при эффективном дренаже Kₑ увеличивается до 1,4.

Геометрический — увеличение угла наклона всего на 3–4° снижает устойчивость на 25–30 %.

Механический — армирование и анкеровка повышают сопротивление сдвигу до 30 %.

Интеграция этих мер в проектную схему рекультивации обеспечивает требуемый нормативный запас устойчивости и долгосрочную безопасность территории.

Заключение и выводы

В результате выполненных исследований установлено следующее:

Основные причины потери устойчивости ‑ высокая степень увлажнения пород, избыточная крутизна откоса и неоднородность механических свойств массива. При углах β > 38° и насыщении водою коэффициент устойчивости снижается до 0,9, что указывает на предаварийное состояние.

Расчётным путём определён оптимальный угол откоса β = 35°, при котором обеспечивается Kₑ ≥ 1,25 в сухом и Kₑ = 1,42 в устойчивом дренированном состоянии.

Инженерные решения – террасирование, дренирование, армирование георешёткой, установка анкеров – позволяют снизить касательные напряжения на 30 % и увеличить запас устойчивости до Kₑ ≈ 1,45–1,5.

Инструментальный мониторинг, выполненный в течение годичного цикла, показал стабилизацию откосов и отсутствие признаков активных деформаций.

Практический вывод: применение комплекса инженерно‑геотехнических мер обеспечивает безопасную рекультивацию и долговременную эксплуатационную устойчивость техногенных склонов.

В целом предложенная методика оценки и обеспечения устойчивости откосов может быть рекомендована для аналогичных карьеров железорудных, угольных и строительных материалов, эксплуатируемых в Казахстане и СНГ.

Литература:

1. СП РК 1.04‑104‑2019. Инженерные изыскания для строительства. Астана, 2019.
2. СП 116.13330.2017. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Москва, Минстрой РФ, 2017.
3. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений (актуализированная редакция СНиП 2.02.01‑83). Москва, 2016.
4. EN 1997‑1:2004 Eurocode 7. Geotechnical Design Part 1: General Rules. Brussels, CEN, 2004.
5. Титов В.И. Устойчивость бортов карьеров при открытой добыче полезных ископаемых. – М.: Недра, 2018.
6. Назаров К.А. Геомеханические процессы в откосах техногенных массивов. – Алматы: КАЗГИУ, 2021.
7. Овчаренко А.В. Рекультивация и инженерная стабилизация техногенных склонов карьеров. – Новосибирск: СибНИИГиМ, 2019.
8. Баранов В.П., Кудрявцев А.И. Численное моделирование устойчивости откосов / Минерал. ресурсы РК, № 4, 2020.
9. Сергеева Е.А. Мониторинг деформаций бортов карьеров при дренировании и армировании. – Журнал Геотехника, № 3, 2022.