Анализ природно-техногенных геокриологических факторов

Анализ природно-техногенных геокриологических факторов
влияющих на устойчивость основания железной дороги «Улак –
Эльга» на участке 125 – 149 км.
Исаков В.А.
Географический факультет
Московский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова
Устойчивость геосистем в криолитозоне определяется их
способностью противостоять изменениям, которые могут привести к
необратимому ухудшению мерзлотно-экологической ситуации и вызвать
деформации инженерных сооружений. Для инженерных целей
устойчивость мерзлых пород можно рассматривать как их способность
сохранять свои свойства (морфологию рельефа, положение кровли вечной
мерзлоты, несущую способность) под воздействием техногенной нагрузки.
Большинство применяемых методик определения устойчивости
базируются на дифференциации естественных характеристик мёрзлых
пород. Техногенная нагрузка принимается за некоторую абстрактную
постоянную величину. Для некоторых типов линейных сооружений (в
частности, газо- и нефтепроводов) пространственные различия в величине
создаваемой техногенной нагрузки действительно невелики, однако чем
более
сложным
становится
линейный
объект,
тем
более
дифференцирована нагрузка на мерзлые породы в его основании.
При строительстве дорог в условиях криолитозоны требуется
проведение
значительных
объёмов
работ,
направленных
на
выполаживание продольного профиля дорог. Обеспечение определённой
крутизны продольного профиля дороги требует создания насыпей разной
высоты, выемок, как в рыхлых, так и в скальных породах, а также создания
мостовых переходов и различных водопропускных сооружений.
Дифференциация техногенной нагрузки и спектра провоцируемых ею
изменений мёрзлых пород в основании линейных сооружений достигает
максимума в условиях сильно расчленённого рельефа горной
криолитозоны.
В данной работе анализ природных и техногенных факторов,
влияющих на устойчивость мёрзлых пород в основании линейных
сооружений, проводится на примере участка 125 – 149 км железной дороги
«Улак – Эльга», проходящего через осевую часть Станового хребта.
Природные условия данного региона характеризуются абсолютными
высотами от 900 до 1100 м над уровнем моря, высокой дифференциацией
грунтовых (гранулометрического состава, толщины рыхлого чехла
отложений) и геокриологических условий (содержания льда и криогенного
строения
мерзлых
толщ,
температурного
поля),
сплошным
распространением многолетнемёрзлых пород, а также практически
сплошным распространением торфяного покрова и древесной
растительности.
К основным геокриологическим опасностям данного региона,
угрожающим устойчивости сооружений следует отнести высокие
температуры мёрзлых грунтов (от -0,5 до – 2,4оС), неравномерную
льдистость мёрзлых грунтов (достигающую 0,4), высокую интенсивность
протекания криогенных процессов и значительные теплоизолирующие
свойства растительных покровов, избежать сведения которых в результате
строительства дороги практически невозможно.
Для целей прогнозирования участков потенциальных деформаций
дорог в крупном масштабе исследований предлагается рассмотреть
особенности строения линейных сооружений, геокриологические условия
и условия протекания криогенных и экзогенных процессов.
Для облегчения анализа пространственного соотношения природных
условий и планируемой техногенной нагрузки была выполнена
крупномасштабная картосхема геокриологических условий, отражающей в
общих
чертах
особенности
растительного
покрова,
рельефа,
геокриологические параметры мерзлой толщи, а также развитие опасных
экзогенных, в том числе криогенных процессов. Картосхема охватывает
узкую (не более 50 м) полосу, прилегающую к трассе проектируемой
железной дороги. Именно в пределах этой полосы под воздействием
техногенной нагрузки будут происходить максимальные изменения
природных условий, которые могут вызвать снижение устойчивости
сооружения.
На исходную картосхему геокриологических условий нанесены:
- температуры мерзлых грунтов
- содержание льда в разрезе рыхлой толщи (полученное как сумма
средней льдистости горизонта умноженное на толщину горизонта в
разрезе)
- площади распространения связных грунтов, слагающих рыхлую
толщу
- участки развития экзогенных и криогенных процессов
- типы преобладающего древостоя
- участки с высокой крутизной склонов (более 10о)
После составления исходной картосхемы на нёё были нанесены
основные элементы строения железнодорожного пути: насыпи, выемки,
водопропускные трубы, мостовые переходы. Исходя из эмпирических
наблюдений, а также анализа имеющейся информации по общим
закономерностям развития мерзлых пород основании железных дорог
[1,2], была проведена оценка возможности развития значительных
деформаций и существенного ухудшения мерзлотно-экологической
ситуации на участках с различными геокриологическими условиями и
различным набором элементов строения железнодорожного пути.
Совокупность отдельных неблагоприятных с точки зрения изменения
геокриологических условий факторов, наблюдаемых на отдельных
участках, представляется возможным рассматривать как источник
потенциальных деформаций. Для упрощения синтеза неблагоприятных
факторов предлагается использовать таблицу ранжирования вероятности
развития деформаций в зависимости от исходных геокриологических
условий и прилагаемой техногенной нагрузки (в частности - постоянной
нагрузки от элементов строения железнодорожного пути, табл. 1).
Таблица 1. Вероятность развития деформаций в зависимости от
геокриологических условий и типа прилагаемой нагрузки
Вероятность
развития
деформаций
Крутизна
склона
измеренная
поперёк
трассы
T мерзлых
грунтов оС
Тип
растительности
Содержание
льда
в
рыхлой
толще
Состав
рыхлых
отложений
Элементы
строения
ж/д
полотна
Низкая
<5о
Ниже
1,5оС
-
Лиственничники
До 0,25 м
Валунные,
галечниковые,
щебенистые
грунты
Мосты,
выемки
Средняя
5-10о
- 1,5 - 0,6оС
Лиственничники
0,25 – 0,75
м
Песчаные
дресвяные
грунты
Насыпи,
мелкие
выемки
Высокая
>10о
Выше
0,6оС
Еловолиственничные
Свыше 0,75
м
Связные
грунты
–
и
Насыпи,
В качестве разъяснения к таблице необходимо привести следующие
эмпирические и аналитические данные о возможном изменении
мерзлотной ситуации в ходе строительства и эксплуатации железных
дорог:
Крутизна склона – от данного параметра в значительной степени
зависит развитие склоновых процессов (преимущественно эрозии и
термоэрозии). Кроме того, вследствие низкой несущей способности
высокотемпературных мерзлых грунтов на крутых склонах могут активно
развиваться солифлюкционные и оползневые процессы, курумы, в том
числе и с участием техногенных и перемещённых грунтов.
Температура мерзлых грунтов – определяет несущую способность
мерзлых грунтов как основания железной дороги, а также запасы холода,
которые могут стабилизировать развитие опасных криогенных процессов.
Тип растительности – очень важный параметр для данного региона,
поскольку при строительстве древесная растительность уничтожается
практически полностью. Протекторная роль растительности для данного
региона также очень велика – это и перекрытие поступления прямой
солнечной радиации на поверхность грунтов, и, в первую очередь –
теплоизолирующая роль торфяного покрова, распространённого
практически повсеместно. Влияние торфяного покрова одинаково велико
на
всех
участках
трассы,
поэтому
в
качестве
параметра
дифференцирующего влияние растительного покрова используется
породный состав деревьев, поскольку сомкнутость крон для
лиственничных и елово-лиственничных лесов достаточно выдержанна и
составляет соответственно от 0,1 до 0,3 и от 0,4 до 0,8. Сведение еловолиственничного леса вызовет большие изменения в условиях теплообмена
на поверхности мерзлых грунтов и с большей вероятностью вызовет
значительные изменения геокриологических параметров мерзлых толщ.
Содержание льда в рыхлой толще – Параметр, характеризующий
потенциальную возможность развития опасных криогенных процессов, в
первую очередь термокарста. Выведение параметра именно в таком виде
вызвано неравномерностью толщины осадочного чехла на участке
исследования и значительными колебаниями льдистости мерзлых пород по
разрезу. Здесь, также, следует отметить, что за рыхлую толщу не
принимается горизонты так называемых «рухляков», зачастую имеющие
значительную льдистость и мощность, но сохраняющие структуру
материнской породы.
Состав рыхлых отложений – площади залегания связных грунтов на
территории района исследований сравнительно невелики, однако, на них
наиболее вероятна активизация таких криогенных процессов как
криогенное пучение и солифлюкция. Кроме того на площадях
распространения связных грунтов более интенсивно идут процессы
переноса вещества (эрозия, плоскостной смыв).
Элементы строения железнодорожного полотна – Оказывают
разномастштабное и разнонаправленное влияние на мерзлые породы [1,2].
На участках мостовых переходов влияние, оказываемое железной дорогой
на многолетнемерзлые породы минимально. На участках выемок часто
происходит полное уничтожение не только естественной растительности,
но и рыхлого чехла отложений вместе с залежами подземных льдов.
Влияние насыпей на свойства многолетнемёрзлых пород оцениваются поразному. При этом по данным исследований, проведённых на трассе БАМ,
зачастую наблюдается вхождение кровли мерзлых пород в тело насыпи,
ассиметричное залегание кровли мерзлых пород, а также формирование
изолированных мерзлых ядер в теле насыпи, отделённых от подстилающих
мерзлых пород таликами [1].
Важная роль при определении вероятности формирования
деформаций на отдельных участках будет принадлежать экзогенным и
криогенным процессам. Здесь, однако, следует отметить, что в
зависимости от особенностей строения железнодорожного пути, рыхлые
отложения, в пределах которых преимущественно развиваются
криогенные процессы, местами могут быть сняты, в частности на участках
выемок. Поэтому к определению их роли в формировании потенциальных
деформаций нужно подходить избирательно. Следует также отметить
высокую роль склоновых экзогенных процессов. Исходя из опыта
наблюдений за линейными объектами в криолитозоне, можно сказать, что
если у объекта существует насыпь, или обваловка, то один её борт
практически всегда подтоплен. В условиях горной криолитозоны,
особенно в южной её части, роль фактора подтопления мерзлого
основания, на взгляд автора, сложно переоценить. Повышение уровня
грунтовых вод даже на несколько десятков сантиметров в условиях
описываемого региона может привести к деградации мерзлых толщ [3].
В результате составления оценочной картосхемы вероятности
формирования участков деформаций вдоль трассы железных дорог были
выделены участки с высокой вероятностью формирования деформаций, и
участки со средней вероятностью формирования деформаций (рис 1).
Рис 1. Фрагмент картосхемы оценки вероятности развития деформаций. 133-135 км
трассы ж/д «Улак – Эльга»
Участки с высокой вероятностью формирования КЭС (всего их 7,
таблица 2) имеют следующие характерные особенности:
- практически все они располагаются на крутых (более 10оС)
склонах.
- около половины таких участков имеют в разрезе связные грунты.
- практически на всех участках содержание ледяных структур в
рыхлом горизонте больше 0,5 м.
- температура мерзлых грунтов превышает -1,5оС, и достигает на
отдельных участках величины -0,5оС.
- расположены они в пределах преимущественно еловолиственничных лесов.
- основными экзогенными процессами на данных участках являются
эрозия и термоэрозия
- на таких участках часто встречаются залежи гольцовых льдов,
выходящие на поверхность
- насыпи и мелкие выемки являются на данных участках основным
элементом строения пути.
Таблица 2. Краткое описание участков с высокой вероятностью формирования КЭС
Участок
развития
деформаций
Крутизна
склона, о
Наличие
связных
грунтов
Содержание
льда в
разрезе
рыхлого
чехла
Температура
грунтов, оС
Тип
растительности
Экзогенные
процессы
Строение
ж/д
полотна
126,0 км
10
+
0,5 – 1 м
Не
измерялось
Еловолиственничный
лес
Эрозия
Насыпь
132,5 км
10-15
+
0,5 – 1 м
-1,4 - -1,0
Еловолиственничный
лес
Эрозия
Насыпь,
мелкая
выемка
133,5 км
До 12
+
до 1 м
-0,5 - -0,7
Лиственничный
лес
Эрозия
Насыпь
134,5 км
10-12
+
Около 1 м
-1,2
Еловолиственничный
лес
Эрозия
Насыпь
137,6 – 139,
3 км
От 7 до
20
+
От 0,5 до
более 1 м
Не
измерялось
Еловолиственничный
и
лиственничный
леса
Эрозия и
термоэрозия
Насыпь,
мелкие
выемки
141,5 –
142,2 км
7-9
-
От 0,5 до 1 м
-1,4
Лиственничный
лес
Эрозия и
термоэрозия
Насыпь,
выемка
На участках, где вероятность развития деформаций оценивается как
средняя, в разных комбинациях встречаются вышеперечисленные
природные и техногенные особенности.
Оценка возможности формирования участков значительных
деформаций линейного сооружения, проведённая таким образом
позволяет:
- исходя из геокриологических и техногенных предпосылок
определять места потенциальных деформаций железнодорожного полотна
- выявлять основные причины деформаций на конкретном участке
- заранее вырабатывать меры стабилизации геокриологической
обстановки на определённом участке в зависимости от основных факторов,
угрожающих стабильности сооружения.
Комплексная оценка факторов позволяет комплексно подходить к
вопросу применения мер стабилизации состояния грунтов – оснований. В
частности, например, в случае развития процессов эрозии и
распространения связных грунтов на участках крутых склонов можно
предположить, что сооружение здесь дренажной системы может
существенно снизить вероятность развития деформаций дорожного
полотна. На участках елово-лиственничных лесов, обеспечивавших в
естественных условиях повышенную затенённость поверхности грунтов
возможно применение солнцезащитных экранов и т.п.
Подводя итог можно сказать, что изменения мерзлотноэкологической ситуации в ходе обустройства и эксплуатации железных
дорог избежать практически невозможно. Значительная техногенная
нагрузка может вызвать существенные изменения свойств и строения
мерзлых пород, а также условий теплообмена через поверхность и
литогенной основы ПТК. Развитие деформаций линейного объекта зависит
не только от исходного состояния мерзлых пород и ПТК, но и от
конкретной техногенной нагрузки на данный участок. Учёт при
проектировании и строительстве факторов, влияющих на изменение
мерзлотной обстановки вдоль железных дорог позволит снизить
вероятность развития деформаций и, соответственно, повысить
устойчивость объекта.
Список литературы
1. Лисицына О.М., Минайлов Г.П., Романовский Н.Н., Пармузин С.Ю.
Линейное строительство. // В книге: Геокриология СССР. Восточная Сибирь и
Дальний Восток. - М. «Недра» 1989. - С. 452-457
2. Оспенников Е.Н. Техногенные геокриологические процессы на трассах
железных дорог (на примере БАМ). // В книге: Геокриологические опасности.
Тематический том./под ред. Л.С. Гарагуля, Э.Д. Ершова. – М.: Издательская
фирма «КРУК», 2000. С. 163-171
3. Пассек В.В., Юсупов С.Н., Невмержицкая Л.И. Изменение температурного
режима вечномерзлых грунтов при подтоплении территории, расположенной
рядом с земляным полотном.// Материалы третьей конференции геокриологов
России. МГУ им. М.В. Ломоносова, 1-3 июня 2005 г. Т.4. часть 8. Инженерная
геокриология – М.: Изд-во МГУ, 2005 – С. 209-214.