10903

Министерство науки и образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

С.В. Соболь

ВОДОХРАНИЛИЩА В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Вдвух книгах КНИГА 2

Нижний Новгород ННГАСУ

2022

1

ЧАСТЬ 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОХРАНИЛИЩ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

(продолжение)

Переработка песчаного берега Рыбинского водохранилища. Зарисовка начала 1950-х гг. [357]

3

Водохранилища – объекты, созданные человеком. Как техногенные образования они оказывают влияние практически на все компоненты литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы, образующие природную среду занятых ими и прилегающих территорий, то есть на геодинамические условия и рельеф, режим поверхностных и подземных вод, климат, почвы, растительность, животный мир и ландшафт в целом. Сами испытывают влияние природных, прежде всего гидрометеорологических, факторов. Взаимодействуют с антропогенной окружающей средой. Пределы названного влияния и взаимодействия рассматриваются в настоящей 2-й части книги.

4

ГЛАВА 16. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛОЖА И БЕРЕГОВ ВОДОХРАНИЛИЩ В ОБЛАСТИ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

16.1. Вечная мерзлота на северо-востоке страны

Территория северо-востока России у строителей именуется север-

ной строительно-климатической зоной, у геокриологов (мерзлотоведов) – криолитозоной или областью вечной мерзлоты. На рис. 16.1 представлена схематическая карта криолитозоны.

Среднегодовые температуры воздуха в криолитозоне повсеместно отрицательные. В наиболее суровых районах Якутии и Магаданской области они опускаются до –14 … –16 ºС. Продолжительность морозного периода изменяется от 250 суток на юге зоны до 300 и более суток на крайнем севере. В районе Курейской ГЭС она составляет 240 суток, Колымской – 280 суток. Особенно холодны зимы в удаленных от побережья районах. Средняя температура января в Магадане – 21,0, Синегорье – 35,1, Вилюйске – 38,2, Якутске – 43,2, Верхоянске – 48,9, Оймяконе – 50,1 ºС. Характерны сильные ветры, метели, снежные заносы. При понижении температуры до – 45 ºС устанавливается безветрие, туманы. Лето довольно теплое, среднемесячная температура июля 15 ºС. Осадков выпадает 200 – 500 мм в год. Они распределяются в течение года неравномерно. Так, в бассейне р. Хантайки за короткий летний период выпадает 40 % среднегодовой нормы 550 мм. Снежный покров, достигающий 2 м, удерживается до 265 суток в году.

Вечномерзлыми принято называть горные породы (грунты), находящиеся в мерзлом состоянии длительное время – века и тысячелетия [629]. Возраст вечной мерзлоты на северо-востоке России колеблется от нескольких тысяч до десятков миллионов лет [15].

В зависимости от площади залегания различают вечномерзлые

5

грунты островного, прерывистого и сплошного распространения (см. рис.

16.1).

Мощность вечномерзлых толщ изменяется от 20 м в районе г. Читы до 1 500 м в горах северного Забайкалья и отдельных районах севернее р. Вилюя (табл. 16.1).

Т а б л и ц а 16.1

Мощность и температура вечномерзлых грунтов в некоторых пунктах криолитозоны [443]

В области вечной мерзлоты от поверхности вниз простирается слой сезонного оттаивания-замерзания грунта. Температура в этом слое сообразно времени года имеет положительные или отрицательные значения. Глубина слоя изменяется от 2 – 4 м на юге до 0,2 – 0,3 м на севере криолитозоны. На формирование сезоннооттаивающего слоя оказывают влияние различные факторы: климат, рельеф (экспозиция), растительный покров, состав и свойства поверхностных отложений, антропогенные вмешательства. Меньшие глубины оттаивания свойственны глинистым грунтам; песчаногравийные грунты обычно оттаивают на большую глубину. Ниже глубины сезонного оттаивания температура грунтов остается отрицательной до нижней границы мерзлоты. Внутригодовые колебания температуры сказываются до глубины около 8 – 15 м, где они затухают. Температура мерзлого грунта на глубине нулевых амплитуд близка среднегодовой температуре его поверхности. Эту температуру принято называть температурой мерзлых пород (рис. 16.2).

Мерзлый грунт представляет собой многофазную многокомпонентную систему, в которой присутствуют: твердая фаза, состоящая из минерального скелета и льда; жидкая фаза, представленная незамерзшей водой с растворенными в ней солями; газообразная фаза, включающая пары воды и газы, находящиеся в порах грунта. Основной особенностью мерзлых грунтов является наличие в них льда. В дисперсных грунтах лед может

6

Рис. 16.3. Вечномерзлый грунт с прослоями льда. Вид стены зала подземной лаборатории в г. Игарка на глубине 14 м. 1972 г.

Рис. 16.4. Ледяная клиновидная жила в вечномерзлом грунте на террасе р. Нерючи в Якутии (фото ИМ СО РАН)

Рис. 16.5. Полигонально-жильная структура верхнего слоя вечномерзлой толщи в арктической тундре. Посередине – бугор пучения

[https://Yandex.ru/search.text ]

8

находиться в порах между частицами скелета, а также в виде линз, прослоев (рис. 16.3), вертикальных жил (рис. 16.4) и включений других форм. В скальных породах лед заполняет трещины и пустоты. Суммарная льдистость – это отношение объема содержащегося в грунте льда к объему грунта, выражаемое в % или в долях единицы. При содержании льда по объему более 40 % грунты относятся к сильнольдистым [263]. По некоторым предположениям, в верхнем 20–40-метровом слое подземные льды могут занимать до 50–70 % общего объема мерзлых грунтов [443] (рис. 16.5).

Оттаивание мерзлых незасоленных грунтов происходит при температуре близкой 0 ºС. Температура замерзания талых грунтов, под которой понимается устойчивая температура замерзания поровой воды, для водонасыщенных песчаных грунтов близка к 0 ºС; для текучих, пластичных и твердых глинистых грунтов соответственно равна 0º, –0,1 …–1,2º, –2 …–5 ºС [696].

Прочность мерзлых дисперсных грунтов существенно зависит от длительности приложения нагрузки, поэтому различают мгновенную и длительную прочность. Мгновенная прочность на сжатие достигает у глинистых грунтов 3 – 5 МПа, у песчаных 12 – 15 МПа [696]. При оттаивании дисперсные грунты, особенно глинистые, существенно снижают свою прочность, а сильнольдистые вообще могут потерять несущую способность. Прочность скальных грунтов при переходе из мерзлого состояния в талое может снижаться на 30 – 50 % [263].

Для анализа температурных процессов привлекаются теплофизические характеристики мерзлых и талых грунтов. Справочные материалы по ним можно найти в литературе [40; 134; 255; 263; 616; 635]. Здесь только заметим: водонасыщенный грунт в мерзлом состоянии имеет меньшую теплоемкость, чем в талом, благодаря различию теплоемкостей льда (2 060 Дж/(кг·град)) и воды (4 190 Дж/(кг·град)); мерзлый грунт естественной влажности имеет более высокую (примерно на 30 %) теплопроводность по сравнению с талым; у скальных пород теплоемкость различается незначительно [263].

При оттаивании мерзлых дисперсных грунтов может происходить их осадка: за счет таяния порового льда с отжатием талой воды; от собственного веса грунта; под действием приложенной внешней нагрузки; за счет консолидации оттаявшего грунта [616]. Вопросам выяснения величин и времени стабилизации осадки оттаивающих грунтов посвящались как теоретические, так и экспериментальные исследования [134; 490; 696]. Величина осадки определяется, в основном, льдистостью грунта. Практически всегда

9