10903

Рис. 16.30. Вид в среднем течении р. Колымы и проектный план водохранилища Усть-Среднеканской ГЭС при НПУ = 290,0 м с границами

типов берегов: А – абразионно-денудационные (74 км); Т – термоабразионные (93км) пологосвальные с уклоном 2…5°(ТП), свальные с уклоном 5…15° (ТС), крутосвальные с уклоном больше 15° (ТК); Э – эрозионные унаследованные (23 км); У – устойчивые

(63км)

Рис. 16.31. Устойчивые к размыву берега Иреляхского водохранилища, удерживающие площадь его зеркала в проектных размерах. 2011 г.

30

устойчивые унаследованные с уклоном менее 2° (рис. 16.30).

Табл. 16.4 содержит сведения о протяженности термоабразионных берегов водохранилищ ГЭС в области вечной мерзлоты.

Т а б л и ц а 16.4.

Протяженность термоабразионных берегов водохранилищ гидроэлектростанций в криолитозоне

Из данных табл. 16.4 видно, что термоабразионные берега больших водохранилищ криолитозоны занимают от 5 % до 37,2 % протяженности береговой линии, а основную долю составляют другие, в том числе нейтральные берега.

У малых водохранилищ криолитозоны способными к термоабразионному разрушению оказываются обычно недлинные участки берегов [573]. Так, борта Анадырского водохранилища (1,47 км2, см. рис. В.4, 16.19, 16.20) слагают льдистые и сильнольдистые отложения, характеризующиеся пестротой состава и строения разреза: от супесей и суглинков, часто оторфованных, до дресвяно-щебенистых грунтов с супесчаным и суглинистым заполнителем. Термоабразия является ведущим береговым процессом правого наветренного берега на протяжении 500 м. Здесь формируются обрывистые уступы высотой 1,5 – 3 м, наблюдаются термоабразионные ниши, в которых обнажаются полигонально-жильные льды. В надводной части склона отмечаются проявления обвально-оползневого и термосолифлюкционного процессов. Остальные берега низкие, заболоченные, на протяжении 1,2 км – термокарстовые [324]. Берега Иреляхского водохранилища (см. рис. 16.7) почти на всей протяженности устойчивы к размыву (рис. 16.31).

31

Переформирование берегов водохранилищ и их аналогов – термо-

карстовых озер в криолитозоне наблюдали и описывали, начиная с 1960-

х гг., ученые разных организаций [25; 26; 90; 185; 304; 324; 327; 364; 443; 453; 454; 455; 542; 639; 640; 641; 642; 643; 669; 673], в том числе ННГАСУ [72; 103; 104; 155; 156; 573; 587; 595]. Научные публикации в большинстве малоиллюстративны. Скромно помогает всезнающий интернет: наблюдения туриста, путешествующего по берегам водохранилищ Сибири, случайны и тенденциозны, у него обычно нет нужной подготовки, его объектив ловит пейзажи и закаты, а не формирующиеся берега. Поэтому из иллюстраций здесь обходимся теми, что есть.

Из материалов наблюдений вычленены качественные закономерности берегопереформирований и зафиксированные количественные сведения, составлены инфологические модели процессов [573; 587].

Берега больших глубоководных водоемов, сложенные мерзлыми рыхлыми породами, разрушаются под совместным воздействием тепловой и механической (преимущественно волновой) энергии водных масс. У термоабразионного берега (рис. 16.32), также как у абразионного, выделяются надводный береговой уступ (обрыв), крутой вплоть до вертикального в период интенсивной термоабразии; береговая отмель, имеющая абразионную и аккумулятивную части и располагающаяся в пределах размывающего действия волн; подводный откос (свал) отмели, ниже – подводный береговой склон (дно водохранилища). Весной оттаивание берега, как правило, опережает размыв, поэтому абразионная часть береговой отмели к началу лета покрыта слоем талого грунта, являющегося теплоизолятором, замедляющим ее дальнейшее оттаивание. Наиболее интенсивный теплообмен происходит при волнении у подножия берегового уступа на контакте воды с обнаженными мерзлыми породами. Здесь вырабатывается термоабразионная ниша. На Вилюйском водохранилище наблюдались в берегах ниши глубиной до 4 м, выработанные одним штормом (рис. 16.33). В процессе наполнения водохранилища Курейской ГЭС в мерзлых песчаных и супесчаных береговых склонах крутизной 70 – 80° вырабатывались ниши глубиной до 2 м. На малом Билибинском водохранилище (0,662 км2) протяженность полосы термоабразионной переработки составляет 310 м вдоль правого берега

– с обрывистым уступом высотой 1,5 – 3 м, нишами глубиной до 2 – 4 м, оползневыми проявлениями (рис. 16.34).

Форма ниши обычно близка к клиновидной, высота с глубиной уменьшается до 0,2 – 0,5 м. Берег над нишей нависает в виде консоли. Углубление

32

а

б

Рис. 16.33. Термоабразионные ниши в берегах Вилюйского водохрани-

лища: а – Дуранинское расширение, берег сложен слабосцементированным песчаником (фото И.П. Константинова, 1976 г.); б – Кусаганское расширение, в береговом уступе чередуются слои известковистых песчаников и известняков (данные ВНИМС)

Рис. 16.34. Термоабразионный участок сильнольдистого правого берега Билибинского водохранилища [324]

34

ниши приводит к его обрушению под действием собственного веса. Обрушение может происходить по морозобойным трещинам в ледяных жилах. Обрушиваться могут массивы мерзлого грунта длиной до 500 – 700 м, они оттаивают и размываются водой за период от 1–2 летних месяцев до 1–2 лет постепенно опрокидываясь в сторону водоема. Последнее свидетельствует об оттаивании нижней части массива в зоне непосредственного контакта с водой. Из оттаявшего и размытого волнами грунта формируется береговая отмель в условиях тепловой осадки ее основания.

Процесс термоабразии затухает, когда отмель становится волноустойчивой. Колебания уровня воды водохранилища увеличивают ширину зоны переформирования берега и время достижения им стадии динамического равновесия.

Картина термоабразии, схожая с описанной для водохранилищ, издавна наблюдалась на берегах арктических морей (рис. 16.35).

Рис. 16.35. Картина разрушения термоабразионного берега (надводный уступ, термоабразионная ниша, обрушившийся массив берега, абразионная отмель) Восточно-Сибирского моря близ устья р. Кондратьевой, сложенного ископаемым льдом. 1909 г. [733]

Мы странно устроены – видим иногда только то, что собираемся увидеть, на месте того, что нам показывает на самом деле природа. Ученым не сразу удалось понять физическую подоплеку процесса термоабразии берегов водохранилищ, в связи с чем предлагались неудачные обобщения и схематизации [26]. Подчеркнем важное. Давление при ударе морской волны о берег может достигать 2 МПа, штормовых волн на водохранилищах 0,5 – 0,7 МПа [673]. Это давление недостаточно для непосредственного

35

разрушения мерзлого берега, так как в несколько раз меньше мгновенного сопротивления мерзлых дисперсных пород разрыву [696]. Поэтому непосредственное разрушение мерзлого берега волнами невозможно. Размыву мерзлых нескальных пород должно предшествовать их оттаивание [587; 595]. У этого положения имеются сторонники [431; 513; 573] и противники [26; 27; 351]. Бывает [690], что некоторые никогда не признаются в своей неправоте [26] и продолжают поиски новых, часто не обоснованных (пестрящих догадками), аргументов в пользу своих старых идей [27].

Вбереговом склоне, сложенном мерзлой дисперсной породой, при его разрушении под воздействием волн образуется надводный термоабразионный уступ (см. рис.16.32). На уступе мерзлый грунт оттаивает под действием солнечной радиации. Происходит медленное вязко-пластичное течение оттаявшего слоя грунта вниз по уступу, возникающее под влиянием силы тяжести. Процесс называется криосолифлюкцией или термоденуда-

цией (рис. 16.36).

Внатуре наблюдается, что при термоденудации мерзлая поверхность уступа не остается обнаженной, а покрыта хотя бы тонким слоем оттаявшего грунта, не успевшего стечь вниз [26; 463]. При фиксированной крутизне уступа толщина этого слоя лимитируется только физико-механиче- скими свойствами породы и для данного грунта является постоянной. Например, на склоне крутизной 90 – 30° сложенном мерзлым суглинком, имеющим после оттаивания суммарную влажность 45 %, она может соста-

вить 0,045 – 0,089 м [581].

Впериод интенсивной термоабразии роль термоденудации несущественна, ее продукты, стекающие к подножию берегового уступа, смываются волнами. После затухания термоабразии процесс термоденудации уступа продолжается до тех пор, пока эти продукты не закроют обнажение мерзлой породы и не изолируют его от непосредственного контакта с воздухом. Таким образом, термоденудация берега со временем может привести

квыполаживанию (отмиранию) берегового уступа (рис. 16.37). Даже при значительной скорости термоденудации (рис. 16.38) процесс отмирания высокого берегового уступа может длиться многие десятилетия и на водохранилищах криолитозоны пока не фиксировался.

На рис. 16.39 представлены графики оттаивания уступа из суглинка в предположении, что его поверхность покрыта тонким слоем оттаявшего грунта или же обнажена. Там же нанесена линия оттаивания уступа из льда в пренебрежении эффекта от пленки, стекающей по плоскости оттаивания

36

Рис. 16.36. Криосолифлюкция на берегу Анадырского водохранилища

[324]

Рис. 16.37. Термоденудационное выполаживание берегового уступа на одном из Новосибирских островов в море Лаптевых [15]

влаги. Существенно меньшей скоростью оттаивания уступа, покрытого слоем оттаявшего грунта, можно объяснить причину, по которой льдистые берега некоторых арктических водоемов практически не оттаивают за лето.

В условиях, когда волнения практически нет, берега отступают вследствие оттаивания и осадки многолетнемерзлых льдистых пород. На первое место выступают явления термокарста, термоабразия же приобретает чисто тепловой и наименее интенсивный вид. Термоабразионные ниши не вырабатываются, береговая отмель обычно не образуется за недостаточным количеством продуктов разрушения берега, растекающихся по дну или откладывающихся с малым уклоном береговой зоне. Так происходит обычно переформирование берегов малых водохранилищ и на мелководьях больших водохранилищ.

На рис. 16.40 показана модельная картина переформирования термокарстового берега в условиях Усть-Хантайского водохранилища. Берег сложен суглинками льдистостью 70 – 80 %, дающими осадку при оттаивании

55 – 60 %.

Рис. 16.40. Хронологическое изменение профиля и температурного состояния термокарстового берега в условиях Усть-Хантайского водохранилища [158]

38

Склон очень пологий и вряд ли стал бы разрушаться в условиях умеренного климата. Здесь же осадка оттаивающего грунта является причиной деформации склона. За 10-летний период берег отступает на 55 м со слегка затухающей с годами интенсивностью [156; 158]. В действительности скорость разрушения супесчано-суглинистых берегов мелководий Усть-Хантайского водохранилища составляла до 10 – 15 м/год в 1977 г., до 8 м/год в 1977 – 1978 гг. [327] и аж 47 м/год в 1981 – 1982 гг. [455], если была верно измерена.

Своеобразно проявляется процесс разрушения берегов, сложенных с поверхности тектонически нарушенными, но прочными в отдельных блоках скальными породами, изначально мерзлыми в массиве. По мере оттаивания блоки пород проседают, формируя глубокие рвы, колодцы, заливы с крутыми стенками. Такое можно видеть на водохранилище Вилюйской ГЭС

[272] (см. рис. 16.29).

При развитии мерзлых берегов водохранилищ в зависимости от свойств слагающих их горных пород, профиля берега, гидрологического режима водохранилища, температур воздуха, грунтов берега и воды, других факторов можно наблюдать и предполагать весьма разнообразные количественные сочетания тепловых и механических процессов. Однако механизм разрушения, отражающий ведущий береговой процесс, является интегральным для всего комплекса факторов берегопереформирования [587].

Попытки прогнозирования переформирования термоабразионных берегов водохранилищ были начаты в нашей стране с 1970-х гг. [22; 155; 156; 159; 186; 194; 220; 221; 271; 642; 643; 717], но развития не получили. Только методика А.И. Ермолаева [220; 221], включающая «операции по прогнозированию абразионного процесса и дополнительные расчеты по определению величины оттаивания, а также построение профиля поверхности в результате осадки» помещена в Инструкцию по проектированию гидротехнических сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов [263] и используется в ОАО «Ленгидропроект» до сих пор [334]. По ней был сделан, например, прогноз берегопереформирования в проекте водохранилища Усть-Среднеканской ГЭС на р. Колыме (см. рис. 16.30, табл. 16.5). Особенности мерзлотно-геологического строения долины и уровенного режима водохранилища обуславливают замедленное формирование его берегов: не ожидается развития крупных гравитационных деформаций в береговой зоне, отступание берегов вследствие термоабразии за первые 10 лет существования водохранилища не превысит 5 м, прогнозное изъятие земель в результате берегопереработки составит 47 га (0,17 % площади водохранилища

39