ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Регионы с залеганием вечномерзлых грунтов оснований занимают большую часть территории России. Температурный режим вечномерзлых грунтов определяет их несущую способность, поэтому от него зависят не только особенности проектирования, но и подчас сама возможность возведения сооружений. При пересечении земляным полотном дороги полос стока или водотоков с верховой стороны земляного полотна создается подпор воды, поскольку водопропускное сооружение локализует пропуск воды, интенсифицируя его в отдельных местах и ликвидируя полностью в других. Повышение уровня грунтовых и поверхностных вод приводит к увеличению теплового влияния на подстилающие вечномерзлые грунты, что, в свою очередь, приводит к просадкам грунтов, термокарстовым явлениям и последующим деформациям земляного полотна и искусственных сооружений. Кроме того, подтопление примыкающих к насыпи участков 2 прилегающей территории происходит вследствие просадки насыпи и неизбежной при этом просадке смежной территории. Проведенные натурные \/ обследования ж. д. линии Обская - Бованенково показали, что подтопление является одной из основных причин деформаций земляного полотна и водопропускных труб. Однако, несмотря на важность проблемы, исследований в этой области применительно к условиям п-ва Ямал было недостаточно.
Таким образом, актуальность работы определяется, с одной стороны, значимостью влияния поверхностных и грунтовых вод на температурный режим вечномерзлых грунтов, и, следовательно, на несущую способность сооружений, а, с другой стороны, недостаточностью его изученности, особенно для условий п- ва Ямал.
Целью работы является повышение устойчивости и долговечности земляного полотна и искусственных сооружений на железных и
автомобильных дорогах, возводимых на вечномерзлых грунтах в зоне теплового влияния поверхностных и грунтовых вод.
Методы исследования - математическое моделирование тепловых процессов на ЭВМ в сочетании с натурными наблюдениями за поведением инженерных сооружений в условиях п-ва Ямал.
Научная новизна работы заключается в выявлении новых закономерностей:
- влияния глубины водотока на температуру грунта на глубине нулевых амплитуд для различных регионов п-ва Ямал;
- теплового влияния уровней грунтовых и поверхностных вод на подстилающие грунты при возникновении подпора с верховой стороны земляного полотна после его сооружения;
- теплового влияния подтопляемой зоны на температурный режим насыпи при различной конфигурации ее поперечного сечения;
- теплового влияния полос стока на температурный режим подходных частей насыпи в зоне мостового перехода.
Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований разработаны методы расчета температурного режима грунтов в зоне водотоков и в зоне подтоплений, новые конструктивно-технологические решения насыпей и искусственных сооружений, практические рекомендации по регулированию температурного режима, позволяющие снизить стоимость и трудоемкость возведения земполотна, опор мостов и водопропускных труб. В результате разработана методика учета теплового влияния поверхностных и грунтовых вод при проектировании транспортных сооружений на вечной мерзлоте.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке рекомендаций по реконструкции земляного полотна и водопропускных труб на первых 100 км ж. д. линии Обская - Бованенково, при строительстве моста на км 26 ж. д. линии Обская - Бованенково, при
разработке нормативно-рекомендательного документа сооружения железных дорог на п-ве Ямал.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Конференции аспирантов и соискателей, посвященной 100-летию со дня рождения B.C. Лукьянова (ЦНИИС, 2002 г.), на Научно-технической конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов (МИИТ, Москва, 2003 г.), на семинаре в РАН Геокриологии, Москва, 2004 г.), на секции «Комплексные проблемы транспортного строительства (изыскание, проектирование, строительство и реконструкция дорог, систем энергоснабжения, гидротехнических и защитных сооружений, обследования и испытания, экологическая безопасность, чрезвычайные ситуации)» Ученого совета ЦРШИСа (2005 г.), на Третьей конференции геокриологов России (МГУ, Москва, 2005 г.). Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов численных расчетов и непосредственных измерений в натуре.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе получен патент на изобретение. Кроме того, результаты работы автора отражены в 11 научных отчетах ЦНИИСа, где диссертант являлся ответственным исполнителем всего или части отчета.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Она содержит 105 страниц текста, 79 рисунков , 20 таблиц.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, АКТУАЛЬНОСТЬ, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Особенности теплового влияния поверхностных и грунтовых вод на вечномерзлые грунты в климатических и мерзлотно-грунтовых условиях п-ва Ямал
Поверхностные воды на полуострове Ямал представлены реками, ручьями, озерами и обширными заболоченными пространствами марей.
Гидрологический режим поверхностных вод во многом определяется повсеместным расположением вечномерзлых пород, мощность которых превышает 300 м и незначительными глубинами сезонного оттаивания грунтов с поверхности (в пределах от 0,40 до 1,5 м) [16].
Повсеместное распространение вечной мерзлоты, являющейся
О
водоупором, обуславливает чрезмерную поверхностную обводненость |/ территории, характеризуемую густой сетью рек и ручьев, а также широким щ распространением такой формы поверхностного обводнения, как озера.
Благодаря существованию мерзлоты . реки отмечаются {/ полноводностью, так как основная часть осадков расходуется на поверхностный сток.
Тепловое воздействие речных вод на температурный режим грунтов русла и поймы проявляется в образовании донных и пойменных таликов и в отеплении значительных толщ грунтов до температур близких к 0°С с чем приходиться считаться, например, при строительстве мостов и водопропускных труб.
В долинах рек и ручьев Ямала имеются подрусловые талики. Мощность их, как правило, небольшая, так как условия для их развития здесь неблагоприятны. Суровые климатические условия определяют короткую
8
длительность периода поверхностного стока (около трех месяцев). В этих условиях даже крупные реки, за исключением отдельных глубоких плесов промерзают до дна. Температуры речной воды в теплый период года не высоки, и в результате интенсивность процессов теплоотдачи от речных вод подстилающим мерзлым породам также не велика даже в руслах крупных рек Ямала. В долинах малых и средних рек и ручьев мощность таликов изменяется от 2-х до 12 м. Она в большей степени зависит от высоты и плотности снежных отложений в русле нежели от ширины и глубины водотока. Широко распространенное на Ямале активное меандрирование русел рек приводит к последовательному новообразованию таликов на новом месте и промерзанию талых пород на осушенных участках русел, потерявших гидравлическую связь с рекой и подруеловым потоком. Это тоже способствует ограничению глубин подрусловых таликов [58].
Подозерные талики распространены достаточно широко, что объясняется большим количеством озер на Ямале. Размеры таликов в плане обычно совпадают с береговой линией озера и их мощность определяется температурой воды, глубиной и площадью озера, а также его возрастом. Мощность таких таликов, как правило, от 2-х до Юм.
Наличие таликов под дном озер и водотоков свидетельствует о растеплении мерзлых грунтов нижележащей толщи, причем размеры зоны растепления может значительно превышать размеры талика.
Значительное обводнение территории, обусловленное близким расположением поверхности грунта от водоупора, способствует широкому распространению марей - болот, сложенных из мха и торфа, толщиной от нескольких десятков сантиметров до 1,0-1,5 м. В пределах марей деятельный слой колеблется от 0,30 до 0,60 м. Мари распространены повсеместно, они встречаются на водоразделах, пологих склонах, террасах и поймах рек, на равнинах. Участки местности, занятые марями, характеризуются наличием грунтовой и поверхностных вод и плохими условиями для стока воды. По
виду растительности мари могут быть торфо-моховые и травяно-моховые; по микрорельефу их поверхности — кочковатые, могильниковые.
По данным натурных наблюдений коэффициент теплопроводности (Л.) мохово-лишайниковых покровов в талом состоянии составляет 0,10-0,70 Вт/м-°С, что в 1,5-2 раза меньше, чем в мерзлом. Слой мха мощностью 2-3 см сокращает сумму летних температур в 1,5 раза и более. Зимой моховой покров вследствие резкого увеличения X в меньшей степени влияет на температурный режим грунтов. Чем больше толщина мохового покрова и чем меньше его влажность, тем большее влияние он оказывает на среднегодовую температуру грунта. В зависимости от разницы А, моховых покровов в талом и мерзлом состояниях, продолжительности летнего и зимнего периодов, мощности снежного покрова моховые покровы могут оказывать как охлаждающее, так и отепляющее влияние.
По условиям стока воды мари делят на сточные, слабосточные и бессточные. Изменение естественного растительного покрова на мари, а также появление поверхностных застоев воды на малоувлажненной до того мари приводит к увеличению деятельного слоя, повышению температуры подстилающих грунтов и может дать толчок к развитию термокарста. К этому же приводит и удаление или нарушение растительно-мохового слоя.
Сток излишней воды с мари происходит как равномерно по всей площади, так и концентрированно по так называемым полосам стока и ложбинам стока. Равномерный сток происходит в толще деятельного слоя медленно и внешне ничем себя не проявляет до тех пор, пока пути стока не перекрываются искусственными препятствиями. Таким препятствием, например, является дорожное земляное полотно. Нередко после сооружения дороги через марь наблюдается одностороннее обводнение территории, примыкающей к подошве откосов насыпей с верховой стороны. Выходящая на поверхность вода заполняет пониженные места рельефа и образует ручейки, текущие вдоль дороги в соответствии с уклоном местности. Это
10
происходит вследствие того, что под пригрузкой земляного полотна грунты деятельного слоя в основании насыпи уплотняются. Условия фильтрации воды в них ухудшаются и излишек воды вытесняется на поверхность.
В летнее время поверхностные скопления воды хорошо прогреваются солнцем и в случае возникновения их фильтрации под насыпь может возникнуть опасность образования глубоких таликов, сопровождающихся осадкой льдонасыщенных мерзлых грунтов оснований.
Исследование теплового влияния поверхностных и грунтовых вод не может быть осуществлено без анализа конкретных климатических и мерзлотно-грунтовых условий п-ва Ямал.
Рассматриваемый регион отличается суровым климатом. Для него характерна продолжительная холодная зима (8-8,5 месяцев) с постоянными, часто сильными ветрами и короткое холодное лето [108].
Среднегодовые температуры воздуха изменяются от -11, -11,5° на самом севере полуострова до -7, -8 °С на юге (рис. 1.1). По данным метеостанции г.Салехарда средняя многолетняя температура воздуха составляет -6,4 °С, в районах пос. Харасавэй -9,9 °С и пос. Новый Порт -8,8 °С.
Переход температур воздуха через 0 °С в осенний период отмечается, как правило, в третьей декаде сентября, в октябре начинается период устойчивых морозов. Минимальные среднемесячные температуры (-20 -н-30 °С) наблюдаются в январе-феврале. Переход среднесуточных температур через 0 °С в весеннее время начинается в конце мая, начале июня. В летний период возможны кратковременные заморозки при вторжении холодных арктических масс воздуха.
Средняя продолжительность безморозного периода составляет для северных районов меньше двух месяцев, для центральных — 2 месяца и для южных - 3 месяца.
11
' - изолинии температур тяОуха
------------------юолинии температур грунта
Рис. 1.1 - Среднегодовые температуры воздуха и температуры грунта на глубине 15 м на полуострове Ямал
12
Среднемесячная температура воздуха самого теплого месяца на севере полуострова (август) находится в пределах 5-6 °С, а на юге (июль) 12-13 °С. В отдельные дни температура может днем подниматься до 27-30 °С.
Годовое количество осадков в большинстве районов Ямала, как правило, больше 400 мм, из них 150-170 мм выпадает в виде снега в холодный период. Летние осадки выпадают в виде длительных моросящих дождей, нередко со снегом. Вследствие широкого распространения слабоводопроницаемых мерзлых отложений большая часть летних осадков стекает и лишь малая часть их просачивается в грунт.
Снег выпадает в конце сентября - в октябре и сохраняется в течение 9-9,5 месяцев на севере полуострова и 8-8,5 месяцев на юге. Мощность снежного покрова равномерно возрастает с начала октября и достигает максимума в северной части полуострова в мае, в средней — в апреле-мае, а в южной - в апреле. В июне-июле снег полностью сходит.
По данным метеостанций средняя мощность снега изменяется в пределах 0,25-0,5 м.
Благодаря ветровому переносу, расчлененности рельефа, влиянию растительности происходит формирование крайне неравномерной по площади мощности снежного покрова. Ветры сдувают снег с возвышенных участков, где его мощность не превышает 20-25 см, наоборот, в логах, долинах, ложбинах стока и у препятствий надуваются огромные массы снега мощностью 3-5 м. В результате на очень больших площадях мощности снежного покрова сравнительно невелики и составляют 5-15 см.
Метели являются одной из наиболее характерных особенностей климата Ямала. Поземные метели образуются уже при скоростях ветра 4-6 м/с обычно при низких температурах и сухом снеге.
Период метелей длится с сентября по июнь, но возможны метели и летом.
13
Число дней с метелью за зиму колеблется от 70 на юге до 110-120 на севере. Самый метельный месяц - январь. В Новом Порту, например, в январе бывает до 17 дней с метелями.
Весной мощные скопления снега в долинах рек и ручьев быстро уничтожаются паводковыми водами.
Плотность снежного покрова высокая, т.к. сильные ветры уплотняют снег. В первую половину зимы, когда происходит интенсивное промерзание деятельного слоя грунта, плотность снежного покрова несколько более 0,2 г/см3, а в конце января она достигает 0,3-0,35 г/см3.
Климат Ямала также обусловлен неравномерным поступлением в течение года солнечной радиации, которое связано с высокоширотным положением области и чередованием полярного дня и полярной ночи. Полярная ночь продолжается от нескольких дней на юге до 74 дней на 73° с.ш. Продолжительность полярного дня колеблется от 23 суток на широте Северного полярного круга до 92 суток на 73° с.ш.
Годовые суммы радиационного баланса в целом для региона положительны и изменяются в пределах 8-15 ккал/см2год соответственно от ^ севера к югу.
Влияние солнечной радиации в процессах теплообмена между атмосферой-литосферой учитывается в форме радиационных добавок к температуре воздуха. Исправленные таким образом температуры воздуха называются приведенными.
Полуостров Ямал расположен в пределах тундровой зоны. По направлению с севера на юг здесь выделяются следующие подзоны: арктических тундр, мохово-лишайниковых, курстарниковых тундр и лесотундры.
Ерниково-лишайниково-моховые тундры занимают дренированные участки междуречий и террас. На таких же участках развиты ивняково-мохово-лишайниковые тундры с ивой и карликовой березой высотой 0,5-1,0
14
м. На пологих склонах и плоских вершинах холмов на песчаных, супесчаных и суглинистых почвах, протаивающих на 0,4-0,8 м развиты ивняково-моховые тундры. Помимо кустарниковых тундр отмечается обилие зарослей густых кустарников, особенно в речных долинах и нижних частях склонов, а также по полосам стока.
В рассматриваемом регионе растительность оказывает, в основном, консервирующее влияние на вечную мерзлоту.
Благодаря слабой теплопроводности и затратам тепла на испарение глубина сезонного оттаивания грунтов под растительностью невелика, она сокращается по сравнению с оголенными участками на 0,6-0,8 м.
Уничтожение растительного покрова приводит к увеличению глубины протаивания грунтов и сопутствующим этому таким мерзлотным явлениям, как просадки, эрозия, солифлюкция и т.п.
Полуостров Ямал характеризуется сплошным по площади распространением вечномерзлых пород. Мощность вечномерзлых пород в пределах полуострова изменяется от 500 м до 300 м. Достоверно установленных сквозных таликов на полуострове нет или пока не обнаружено.
Среднегодовые температуры вечномерзлых пород изменяются от 0°...-1 °С на юге Ямала до -8 °С на севере.
Мощность слоя годовых колебаний температур на Ямале составляет до 15-20 м в песках и 10-12 в суглинистых и глинистых грунтах.
В самой северной части полуострова развиты низкотемпературные мерзлые толщи. Севернее 70° с.ш. температуры пород изменяются от -6 до -8 °С. Наиболее низкие температуры отмечаются на плоских поверхностях вне зависимости от литологии, высотного положения и растительности. В понижениях, полосах стока и долинах мелких речек и ручьев она изменяется от -8 до —7 °С. Самые высокие температуры в пределах этой зоны зафиксированы в районах мыса Харасавэй (от -2,5 °С до -3 °С) в долинах
15
небольших рек и в глубоких оврагах, заносимых снегом. Оголенные бесснежные возвышенности здесь же имеют температуры пород порядка —7 °Сдо-9°С.
В более южных районах вплоть до широты пос. Мыс Каменный (69° с.ш.) температуры пород изменяются в основном от -5 °С до —7 °С. Среднегодовые температуры грунтов в поймах таких рек, как Юрибей, Сеяха, Мордыяха обычно на 1,5-2,0 °С (а в долинах узких ручьев и более) выше, чем на прилегающих равнинных участках.
Южнее 69 параллели в подзоне кустарничковой тундры и лесотундры температуры пород значительно выше. На большей части территории они изменяются от -2 до -4 °С, хотя на севере опускаются до -5 °С. Наиболее высокие температуры (от -1,5 до 2,0) отмечены в песчаных грунтах поймы р.Щучья, Ядаяхадыяха, где развит мощный кустарниковый покров.
На самом юге полуострова среднегодовые температуры пород повышаются и обычно изменяются от -3 °С до -5 °С. На участках, покрытых густым кустарником, они повышаются до -2 °С. Достаточно высокие температуры (от -1,5 °С до -2 °С) наблюдаются в долинах ручьев, в оврагах и в полосах стока.
Глубина сезонного оттаивания зависит в основном от среднегодовой температуры пород, состава и влажности грунтов деятельного слоя, снежного покрова и растительности.
Понижение температур вечномерзлых грунтов приводит к уменьшению мощности слоя сезонного оттаивания. Увеличение дисперсности и влажности пород приводит к уменьшению глубин сезонного промерзания и оттаивания. Следовательно, минимальные глубины сезонного оттаивания будут в сильноувлажненных суглинках и глинах, максимальные -в маловлажных песках. На большей части рассматриваемой территории степень водонасыщенности пород в пределах деятельного слоя в предзимний период близка к полному водонасыщению
16
В северных районах полуострова Ямал глубина сезонного протаивания пород практически повсеместно менее 1,5 м. В песчаных грунтах здесь глубина протаивания не превышает 0,6-0,8 м при наличии мохово-лишайникового покрова.
Максимальные величины протаивания формируются в маловлажных (5-15%) песках на относительно дренированных участках без растительного покрова, где они могут составлять 2-2,5 м.
В суглинистых породах глубины сезонного оттаивания существенно меньше по сравнению с песчаными. Максимальные их глубины отмечаются на участках без растительного покрова, а минимальные - в сильнольдистых породах на заболоченных территориях. На торфяниках глубина сезонного протаивания изменяется от 0,3-0,4 м на севере до 0,8-0,9 на юге территории.
В долинах рек и ручьев Ямала имеются подрусловые талики. Мощность их невелика, так как условия для их развития здесь неблагоприятны. Суровые климатические условия определяют незначительную длительность периода поверхностного стока (около 3-х месяцев).
В пределах Западного и Центрального Ямала широко распространены засоленные вечномерзлые породы, гляциально-морские и прибрежно-морские отложения, представленные здесь преимущественно грунтами песчано-глинистого состава обычно засоленные (рис. 1.2). Покровные делювиальные, солифлюкционные и особенно аллювиальные отложения, подвергающиеся процессам инфильтрации атмосферных осадков и выщелачиванию грунтовыми водами в той или иной степени рассолены. Породы сезонно-талого слоя - незаселенные.
Засоленность отложений в сочетании с широким распространением суглинков и глин обуславливает возможность сохранения в порах пород большого количества незамерзшей высокоминерализованной воды даже при низких (-5...-7,5 °С) отрицательных температурах.
17
- зона распространения засоленных мерзлых грунтов
- юна распространения сильнолъди- I стых грунтов
- зона высокой эффективности строительных технологий с использованием возобновляемых ресурсов холоди
Рис. 1.2 - Районирование севера Западной Сибири по условиям строительства |
