10903

осадка однородного грунта, происходящая в одномерных условиях, пропорциональна глубине оттаивания = ∙ , где – относительная осадка [696]. Грунт считается непросадочным при ≤ 0,05, просадочным при 0,05 ≤ ≤ 0,20, сильнопросадочным при > 0,20 [263]. Для ориентировки в табл. 16.2 приведены соотношения между льдистостью мерзлых и осадкой оттаявших дисперсных грунтов по результатам обработки массива данных о грунтах естественного сложения в Якутии [134; 699]. В большинстве практических ситуаций, касающихся водохранилищ, уместно допущение, что осадка происходит одновременно с оттаиванием грунта [696].

Т а б л и ц а 16.2

Средние осадки при оттаивании дисперсных вечномерзлых грунтов в зависимости от льдистости и нагрузки [134; 699]

В силу отепляющего воздействия воды на горные породы под руслами рек в области вечной мерзлоты существуют подрусловые талики. Для крупных рек характерны талики сквозные, под малыми реками могут быть несквозные (замкнутые) талики. На рис. 16.6 показан геотермический разрез долины р. Колымы в створе Колымской ГЭС. Среднегодовая температура воздуха в районе минус 12 ºС, грунта на подошве деятельного слоя –7,5…– 8,5 ºС, воды 3 – 4 ºС. Под руслом реки имеется сквозной талик шириной до 100 м [132]. На рис. 16.7 приведен инженерно-геокриологический разрез долины р. Ирелях по створу Иреляхского гидроузла. В мерзлых грунтах с льдистостью до 60 % под руслом реки несквозной талик [74].

10

Вечномерзлая толща является в целом водоупорной. Подземные воды в области вечной мерзлоты приурочены к зонам талых пород. Они подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные.

11

Надмерзлотные воды распространены в сезонноталом слое грунта. Основное питание они получают из атмосферных осадков. В зимний период замерзают.

Межмерзлотные воды помещаются в талых прослоях, линзах и сквозных таликах, встречающихся в толще мерзлоты. Они могут сообщаться с другими категориями подземных вод.

К подмерзлотным относятся подземные воды, залегающие ниже мерзлой толщи. Подмерзлотные горизонты обычно обводнены. Почти всюду эти воды напорные. Могут иметь положительную или отрицательную (по Цельсию) температуру. Последняя указывает на их засоленность [443].

К специфическим природным явлениям, характерным для области вечной мерзлоты, относят развитие наледей и термокарста [14; 16].

Наледи, возникающие в местах выхода на поверхность подземных (межмерзлотных и подмерзлотных) вод, встречаются во всех регионах криолитозоны. Образуются также в долинах рек при промерзании их русел, где могут достигать в толщину нескольких метров и из года в год повторяться (рис. 16.8, 16.9). Захваченный наледью лес гибнет (рис. 16.10).

Наличие льда в горных породах криолитозоны предопределяет возможность термокарста. Наиболее интенсивное его развитие связано с вытаиванием клиновидных жильных льдов. Эти льды присутствуют в арктических низменностях, внутриконтинентальных равнинах и межгорных впадинах. Они пронизывают верхнюю часть толщи аллювиальных отложений (глин, супесей, песков) и в совокупности с ними образуют так называемый ледовый комплекс (см. рис. 16.4, 16.5). Территория, сложенная ледовым комплексом, внешне обычно не отличается от окружающей местности. Но на местах локальных изменений теплообмена (пожарищ и т.п.), может начаться вытаивание льдов и оседание поверхности – термокарстовый процесс. В начале возникает небольшое мелководное озеро (рис. 16.11), оно постепенно углубляется, расширяется, образуется алас, в границах которого вечная мерзлота протаивает на глубину до 50 –100 м. Термокарстовых озер много в криолитозоне, они могут существовать тысячелетия. Бывает, что в условиях дефицита атмосферной влаги аласные озера сокращаются в размерах, высыхают, на промерзающих таликах образуются многолетние бугры пучения (они же гидролакколиты, они же пинго, они же булгунняхи).

12

Рис. 16.8. Свежая наледь, заполнившая русло р. Унгры, притока р. Алдана [13]

Рис. 16.9. Оттаивающая наледь подземных вод в долине р. Артык, Южная Якутия [13]

Рис. 16.10. Гибнущий лес под воздействием наледей [14, 16]

13

От внутреннего давления бугры трещат и разрушаются (рис. 16.12), зачастую взрывом. Так, взрыв гидролакколита размерами в плане 30 50 м и высотой 2,5 м наблюдался в 1964 г. на западном берегу оз. Харанор в Читинской области. Звук взрыва был слышен на расстоянии 6 км, из центральной части бугра выбросило глыбы льда размерами 0,7 1,5 2 м на расстояние до 8 м, в бугре образовалась воронка глубиной 2 м, из которой ударил фонтан воды высотой 1,5 м, он бил в течение 30 минут, затем осел и исчез

[14; 15].

Термокарст часто сопутствует эрозионным процессам или бывает следствием антропогенного вмешательства в земной покров (рис. 16.13).

Вечная мерзлота давно используется как своеобразный криогенный ресурс. В толще мерзлых пород сооружают склады для продуктов питания, резервуары для газа и нефтепродуктов, емкости для захоронения химических веществ и радиоактивных отходов. Мерзлые грунты и лед применяют в качестве строительных материалов, в том числе для гидротехнического строительства [15]. В Якутии вечная мерзлота охраняется законом [442].

16.2. Напорный фронт северных гидроузлов

Особенности природной обстановки северо-восточных территорий – отрицательные среднегодовые температуры воздуха, повсеместное распространение вечной мерзлоты, большая внутригодовая неравномерность стока рек – осложняют возведение и эксплуатацию гидротехнических комплексов.

Напорный фронт речных гидроузлов в области вечной мерзлоты создается по двум принципиально разным (в температурном отношении) вариантам – талому или мерзлому, или по их комбинациям. Талый вариант целесообразен при благоприятных инженерно-геологических и геокриологических условиях, выбор которых достаточно широк для крупных ГЭС. Для гидроузлов питьевого и хозяйственного водоснабжения, прудов-охла- дителей тепловых электростанций, малых ГЭС, которые необходимо располагать в непосредственной близости к потребителю, выбор створов с благоприятными условиями для талого варианта сооружений напорного фронта чаще всего ограничен, а в некоторых случаях и невозможен. В таких обстоятельствах предпочтение отдается мерзлому варианту гидроузла.

15

Строительство гидроузлов по мерзлому варианту возможно на значительной части северо-востока страны [74; 75; 76; 160; 559; 699].

Для крайнего севера наиболее приемлемыми являются гидроузлы с грунтовыми плотинами, так как последние требуют минимума привозных материалов и обладают большей приспособленностью к зимним условиям строительства.

Талые грунтовые плотины на севере конструктивно не имеют существенных отличий от аналогичных плотин, строящихся за пределами области вечной мерзлоты. Водохранилища всех северных ГЭС образованы талыми грунтовыми плотинами. На рис. 16.14 приведен разрез талой грунтовой плотины Усть-Хантайской гидроэлектростанции [335].

Грунтовая плотина считается мерзлой, если ее противофильтрационный элемент вместе с основанием под ним мерзлые, чем обеспечивается водонепроницаемость системы плотина-основание. Грунт тела плотины или противофильтрационного элемента должен быть полностью насыщен водой и проморожен естественным холодом или с помощью замораживающих систем. Мерзлые грунтовые плотины возводятся на любых грунтах основания, находящихся в мерзлом состоянии или искусственно промораживаемых, при условии, что в них отсутствуют трещины и пустоты не заполненные льдом и могущие послужить путями сосредоточенной фильтрации воды. На рис. 16.15 показана мерзлая плотина Иреляхского водохранилища на р. Ире-

лях [74].

Имеются единичные случаи перевода мерзлых плотин в талые [699]. Так, плотина Аркагалинской ГРЭС на р. Мяундже (рис. 16.16) была закончена строительством в 1959 г. как мерзлая по изначальному проекту. К концу 1970-х гг. ее тело было расширено на 40 м, с 1990-х гг. прекратили эксплуатацию замораживающей системы, к 2001 г. закончилась деградация мерзлых грунтов в теле плотины и плотина перешла полностью на талый режим эксплуатации [192].

В Своде правил «Плотины из грунтовых материалов» от 2012 г. [617] по необъясненным причинам исключена типизация плотин по темпера- турно-криогенному признаку, устоявшаяся с 1930-х гг. [74; 75; 76; 331; 587; 699]. Такой подход не отвечает требованиям федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» [661] и является шагом назад в теории и практике гидротехнического строительства в северной строи- тельно-климатической зоне [326; 699].

16

Рис. 16.14. Русловая талая каменно-земляная плотина Усть-Хантайской ГЭС [335]

Рис. 16.15. Мерзлая грунтовая плотина водохранилища на р. Ирелях (проектный вариант) [74]

Рис. 16.16. Земляная плотина водохранилища Аркагалинской ГРЭС на

р. Мяундже: Т – техногенные грунты тела плотины; А, Б, В – пьезометрические скважины для [192]

17

16.3. Оттаивание и тепловая осадка грунтов основания водохранилищ

В связи с образованием водохранилища в области вечной мерзлоты нарушаются естественные температурные условия грунтов долины реки.

Теплообмен массы воды с мерзлыми породами приводит к постепенной деградации мерзлой толщи. В результате под водохранилищем развивается талик – замкнутый, либо сквозной [72]. Оттаивание грунтов основания водохранилища может происходить в отсутствие фильтрации воды (по крайней мере, до тех пор, пока не протает мерзлота и появится возможность фильтрации в сквозном талике под водохранилищем) или с участием фильтрации воды, способствующей оттаиванию мерзлых пород [587].

Хороший материал для познания температурного процесса дали бы натурные наблюдения, но их совсем мало [277; 431]. Любопытство чаще удовлетворяли прогнозными расчетами.

Так, для оценки глубин многолетнего протаивания и повышения температуры в основании и берегах Вилюйского водохранилища проводилась серия расчетов температурного режима на ЭВМ по двумерной схеме на 50летний период от начала наполнения [711], т.е. от 1967 г. Мощность вечномерзлых (скальных) пород в районе 590 м, их среднегодовая температура

–2,7 ºС. Расчетами были учтены характерные обстоятельства, регулирующие температурный режим: внутригодовое изменение температуры воды, зимняя сработка водохранилища с оседанием ледяного покрова на осушенный берег, изменение за зимний период толщины снега, льда и др. Обобщенные результаты помещены на рис. 16.17. Прогнозное протаивание пород за 50 лет составило около 40 м в глубоководной и 30 м в мелководной части водохранилища. К 50-му году существования водохранилища, растеплению (более, чем на 0,05 ºС) подвергся массив, простирающийся на 130 – 150 м от дна водохранилища и до 70 – 80 м от береговой линии вглубь берега (заштрихованная область на рис. 16.17). В 2017 г. можно было оценить результативность прогноза, но этого не делалось. Очевидно, что переформирование температурного поля долины р. Вилюя далеко не закончено и будет продолжаться столетия [587].

По мере оттаивания льдистых дисперсных грунтов в основании и берегах северных водохранилищ возникает антропогенный термокарстовый процесс, при котором происходит оседание ложа водоема.

18

А. Температура поверхности дна в глубоководной и мелководной части водохранилища

Рис. 16.17. Характеристики термического режима береговой зоны Вилюйского водохранилища [711]

Рис.16.18. Развитие термокарстового озера на Лено-Амгинском междуречье в Якутии [82]

19