Содержание к диссертации
Введение
Ведение 5
1. Современное состояние вопроса 11
1.1. Общая характеристика природных условий Забайкалья и их роли в образовании наледей 11
1.1.1. Физико-географические условия 11
1.1.2. Климат 13
1.1.3. Геотектонический режим и геологическое строение 17
1.1.4. Мерзлотно-гидрогеологические условия 20
1.3. Изученность воздействия наледей на инженерные сооружения 36
1.4. Цель и задачи исследований 38
2. Закономерности формирования наледей в Забайкалье 40
2.1. Пространственные закономерности изменения наледности в Забайкалье 41
2.2. Влияние изменения основных климатических параметров на наледеобразование 58
2.3. Условия и причины образования природно-техногенных и техногенных наледей 63
2.4. Выводы 65
3. Методика исследований 67
3.1. Дополнение к существующим классификациям наледей 69
3.2. Обоснование комплекса методов стационарных исследований воздействия наледей на инженерные сооружения 72
3.2.1. Методика исследований на наледных стационарах 75
3.2.2. Методика исследований воздействия наледей на инженерные сооружения 82
3.3. Методика лабораторных экспериментальных исследований воздействия наледеобразования на строительные материалы и конструкции 83
3.4. Выводы 89
4. Оценка воздействия наледей на строительные материалы и инженерные сооружения 90
4.1. Количественная характеристика воздействия наледей на строительные материалы 90
4.2. Оценка воздействия наледей на инженерные сооружения 93
4.3. Оценка влияния наледей на эксплуатацию инженерных сооружении 101
4.4. Выводы 106
5. Оценка и прогноз наледной опасности и разработка мероприятий защиты инженерных сооружений 107
5.1. Оценка и прогноз наледной опасности 107
5.2. Общие принципы управления наледными процессами 114
5.2.1. Управления наледными процессами в Забайкалье 116
5.2.2. Новый способ борьбы с наледями 119
5.3. Оценка эффективности противоналедных мероприятий 121
5.4. Выводы. 124
Заключение 125
Библиографический список 127
Приложения 145
Приложение 1. Характеристика наледных бассейнов Северного Забайкалья 146
Приложение 2. Характеристики наледности Центрального и Южного Забайкалья 148
Приложение 3. Акт об использовании результатов диссертационной работы соискателя кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ЧитГУ Верхотурова Алексея Геннадьевича в проектной документации ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект» 151
Приложение 4. Акт об использовании результатов диссертационной работы соискателя кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Читинского государственного университета Верхотурова Алексея Геннадьевича в учебном процессе на кафедре Гидрогеологии и инженерной геологии (ГТ и ИГ) 152
Приложение 5. Акт об использовании результатов диссертационной работы соискателя кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Читинского государственного университета Верхотурова Алексея Геннадьевича в учебном процессе на кафедре Безопасность жизнедеятельности (БЖД) 153
- Изученность воздействия наледей на инженерные сооружения
- Методика исследований на наледных стационарах
- Оценка влияния наледей на эксплуатацию инженерных сооружении
- Управления наледными процессами в Забайкалье
Введение к работе
С проблемой предотвращения отрицательного воздействия наледей на инженерные сооружения постоянно сталкиваются научные и производственные организации при освоении Забайкалья и других районов криолитозоны России. Впервые, наиболее остро, данная проблема обозначилась в конце XIX начале XX столетия при строительстве и эксплуатации Забайкальской железной и Амуро-Якутской автомобильной магистралей. Наледи оказывали и оказывают отрицательное воздействие на основания сооружений, строительные свойства материалов насыпей, дамб, подсыпок, промышленных и гражданских сооружений. Затраты на ликвидацию чрезвычайных ситуаций, связанных с затоплением наледными водами селитебных территорий и на защиту инженерных сооружений от их негативного воздействия, составляют в России сотни миллионов рублей. В Забайкальском крае, например, они достигают 10 млн. руб. в год.
Диссертационная работа выполнена в рамках фундаментальных исследований РАН «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы» (Программа № 16), проекты: «Исследование кинетики и механики криогенных процессов в горно-складчатых областях криолитозоны России в условиях глобального изменения климата» Госуд. per. № 0120.0-4086356; «Исследование эволюции природных и природно-техногенных геосистем криолитозоны горных областей юга Сибири в условиях изменения климата», Госуд. per. № 01.2.007-04723; интеграционного проекта СО РАН «Природные и антропогенные факторы динамики криогенных геосистем Евразии» в лаборатории общей криологии ИПРЭК СО РАН. При ее написании использовались также материалы полевых и лабораторных исследований в Забайкалье, выполненные на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии ЧитГУ.
Таким образом, актуальность, научное и прикладное значение темы диссертационной работы не вызывают сомнений.
Цель работы — изучить особенности динамики наледеобразования на территории криолитозоны Забайкалья в условиях изменений климата, дать оценку воздействия наледей на инженерные сооружения и повысить эффективность противоналедной их защиты.
Основные задачи исследований.
Систематизировать информацию о наледях и уточнить закономерности их развития в зависимости от изменений мерзлотно-гидрогеологических условий Забайкалья, широтной зональности и высотной поясности в современных климатических условиях.
Усовершенствовать методику полевых исследований наледей и лабораторных испытаний по оценке их воздействия на горные породы, строительные материалы и конструкции инженерных сооружений.
3. Разработать типизацию наледной опасности для условий Забайкалья, усовершенствовать методику выбора противоналедных мероприятий и разработать новые способы защиты инженерных сооружений от негативного воздействия наледей.
Объект исследований - природные и природно-техногенные наледи Забайкалья.
Исходные материалы и методика исследований. Основу диссертационной работы составляют данные, полученные автором при исследовании наледей в 1978 - 1980 гг. для составления «Каталогов наледей зоны БАМ», в ходе стационарного изучения наледей в Забайкалье (1981 - 1991 гг.) и выявлении особенностей их воздействия на горные породы и инженерные сооружения (1992-2010 гг.)
Для реализации поставленных задач применялись следующие традиционные и усовершенствованные методы: а) маршрутные и стационарные исследования; б) лабораторные испытания по оценке воздействия наледей на горные породы и инженерные сооружения; в) статистическая обработка результатов исследований.
Достоверность. Достоверность выводов в диссертационной работе базируется на представительном объеме полевых и лабораторных экспериментальных исследований, статистической их обработке с использованием ЭВМ, сравнительном анализе результатов, полученных по усовершенствованным методикам и предусмотренным нормативными документами.
Научная новизна работы.
1. Систематизированы данные о распространении и закономерностях раз
вития наледей в Забайкалье с учетом новых сведений, полученных в конце XX
- начале XXI столетий, выполнено наледное районирование с учетом мерзлот-
но-гидрогеологических и геоморфологических условий территории.
Усовершенствована методика полевых и лабораторных экспериментальных исследований изменений физико-механических характеристик горных пород, строительных материалов и конструкций инженерных сооружений, подвергающихся воздействию наледей.
Выявлены особенности динамики наледеобразования в зависимости от короткопериодных изменений климата и техногенной нагрузки.
4. Разработана типизация наледной опасности для территории Забайкалья, усовершенствована методика выбора противоналедных мероприятий и внедрен новый способ защиты инженерных сооружений от негативного воздействия наледей.
Научные положения, представляемые к защите.
1. В условиях современных изменений климата происходит существенная
трансформация мерзлотно-гидрогеологической обстановки на территории За
байкалья - широтные и высотные преобразования в строении криолитозоны,
разгрузки подземных вод, динамике образования и морфометрических харак
теристик наледей.
2. Усовершенствованы инженерно-геологическая типизация наледей За
байкалья, общая их классификация по морфометрическим параметрам (площа
ди, мощности и объему), методика натурных и лабораторных исследований при
оценке воздействия наледей на горные породы и инженерные сооружения.
3. Предложена новая типизация наледной опасности, усовершенствована методика оценки и выбора способов защиты инженерных объектов от негативного воздействия наледей.
Практическая значимость результатов исследований состоит в том, что они позволяют:
зависимости и закономерности наледеобразования, установленные в процессе изучения наледей Забайкалья, применять при прогнозировании на-ледных процессов, в том числе и в других районах криолитозоны;
усовершенствованную автором методику исследований воздействия наледей различного генезиса на горные породы и инженерные сооружения включать в комплекс методов, используемых при изучении процессов наледеобразования;
выполнять количественную и качественную оценку наледной опасности территорий с учетом мерзлотно-гидрогеологических условий территории, короткопериодных изменений климата и техногенной нагрузки;
выбирать экономически обоснованные способы противоналедной защиты инженерных объектов на территории Забайкалья и других регионов с близкими природными условиями;
оперативно разрабатывать управленческие решения по предотвращению или ликвидации негативного воздействия наледей на инженерные сооружения.
Реализация результатов исследований.
Разработанный при участии автора «Способ борьбы с наледями в малоснежных районах распространения вечной мерзлоты» позволил ликвидировать негативное воздействие наледей на одном из участков федеральной автомобильной дороги Чита-Забайкальск (Патент № 2151232 РФ).
Предложенные автором противоналедные мероприятия использованы при ликвидации чрезвычайных ситуаций в пос. Баляга, Кадала (1999 г.), Красный Чикой (2000 г.), Усть-Кара (2003 г.).
Результаты исследований автора реализованы при создании Каталогов наледей зоны БАМ, а также в ПГО «Читагеологая» и Главном управлении ГО и ЧС по Забайкальскому краю.
4. Научно-методические и практические разработки, полученные авто
ром, используются при чтении лекций в Читинском государственном универ
ситете по курсам «Прогноз криогенных процессов», «Подземные воды зоны
распространения многолетнемерзлых пород» и «Инженерная геодинамика».
Личный вклад автора. Под руководством автора и при его непосредственном участии сконструирован крупногабаритный лабораторный стенд для изучения изменений физико-механических свойств горных пород и строительных материалов в условиях наледеобразования. Проведены экспедиционные и лабораторные исследования по изучению воздействия наледей на горные породы и инженерные сооружения на территории Забайкалья, разработан новый способ борьбы с наледями. Обработка полученных результатов, анализ и их интерпретация выполнены автором лично.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены автором на следующих конференциях и совещаниях:
международных: «Геокриологические проблемы строительства в Восточной России и Северном Китае» (Чита - Якутск, 1998 г.); «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление» (Чита, 2001 г.); «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты» (Пущино, 2002, 2003 гг.); «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения» (Тюмень, 2006); «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов » (Тюмень, 2008);
всесоюзных и всероссийских: «Проблемы хозяйственного освоения зоны Байкало-Амурской магистрали» (Улан-Удэ, 1981г.); Гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2004); XVIII Всероссийском совещании по подземным водам Востока России (Иркутск, 2006); на годичной сессии Научного Совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Москва, 2008);
3) региональных: «Проблемы геокриологии Забайкалья» (Чита, 1981,
1984,1990,2005,2010 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, включая монографию и две статьи в рецензируемых журналах, получен патент на изобретение РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, библиографического списка из 173 наименований. Общий объем работы составляет 150 стр. машинописного текста, в том числе: 34 рисунка, 18 таблиц и 3 приложения.
Автор искренне благодарен научному руководителю зав. лабораторией общей криологии ИПРЭК СО РАН, д-ру техн.наук, профессору Д.М. Шестер-неву за руководство и большую помощь в подготовке диссертации.
Особую признательность автор высказывает д-ру геол.-минерал, наук профессору кафедры геокриологии МГУ Н.Н. Романовскому, д-ру геол.-минерал, наук, профессору ЧитГУ В.Г. Кондратьеву, канд. геол.-минерал, наук, профессору ЧитГУ В.М. Пестову за помощь и ценные советы в работе над диссертацией.
Автор выражает также огромную благодарность коллективу кафедры и коллегам из других организаций за поддержку и плодотворное сотрудничество.
Изученность воздействия наледей на инженерные сооружения
Изучение воздействия наледей на инженерные сооружения и разработка мероприятий по борьбе с наледной опасностью начались в 30-е гг. ХХ-го столетия на Амуро-Якутской магистрали. Противоналедные пояса, предложенные в 1930 г. В.Г. Петровым (1930), используются и в настоящее время. Комплекс противоналедных мероприятий позднее был дополнен Г.А. Низовкиным (1954), А.А. Цвидом (1957) и A.M. Чекотилло (1960). Характер воздействия наледей на инженерные сооружения они рассматривали, в основном, с позиций предотвращения деформаций, вызываемых наледным пучением, размывом насыпей талыми наледными водами и др. Анализ взаимодействия наледей и инженерных сооружений позволил авторам разработать ряд эмпирических аналитических моделей для расчета устройств и обоснования конструкций мерзлотных и наледных поясов и других мероприятий по борьбе с наледной опасностью. В 70-90 гг. ХХ-го в. появляются работы, направленные на выявление кинетики и механизма воздействия наледей на инженерные сооружения (Алексеев, Савко 1975; Большаков, 1981; Рябов, 1974 и др.), на разработку методики оценки воздействия наледей на инженерные объекты и наледное прогнозирование (Алексеев. 1987; ВСН-210-91; Дементьев, 1991; Кудрявцев и др., 1976). В работе В.Р. Алексеева, Н.Ф. Савко (1975) рассмотрены инженерно-географические аспекты наледеобразования. В ней впервые делается попытка разработки теории наледных процессов. СМ. Большаков (1981) разработал классификацию наледей для инженерно-геологических целей, в которой они подразделены на типы и подтипы, с учетом условий питания и местонахождения источников наледеобразования, причем для каждого типа приведен комплекс противоналедных мероприятий.
Во многих работах рассматривались связь наледеобразования с другими экзогенными процессами, но оценке воздействия наледей на инженерные сооружения уделялось недостаточно внимания (Верхотуров и др. 1981; Санников, 1984 и др.). Анализируя известные методики исследования наледей (Алексеев, Соколов, 1980; Баранов, 1971; Соколов и др., 1984; «Методические рекомендации...», 1979, Пигузова, Шепелев, 1975 и др.), следует отметить, что вопросам изучения воздействия наледобразовательных процессов на инженерные сооружения уделено недостаточно внимания. Большое количество работ направлено на рассмотрение мероприятий по борьбе с наледями для обеспечения безаварийной, работы инженерных сооружений (Афанасенко; 198Iі; Большаков, 1981; Бурыкина, 1991; BGH 210-91; Кондратьев, Верхотуров, Пестов, 2002а, 20026; Макаров, 1958; Меркулов, 1991; Невский, 1991; Низовкин, 1954; Петров, 1930; Рябов, 1974 и др.). В последнее время появились публикации, в которых предлагается решить проблему противоналедной борьбы путем создания системы мониторинга (Кондратьев, 2000). Для повышения эффективности способов борьбы с наледями был предложен системный подход для обоснования выбора метода или способа борьбы с наледями (Шестернев, 2005).
На основании проведенного литературного обзора можно сделать вывод о том, что задача обеспечения устойчивости инженерных сооружений в зоне развития наледей, с целью предупреждения аварий в результате их негативного воздействия на строительные материалы и отдельные конструкции, далека от разрешения. Количественная оценка изменения физико-механических свойств горных пород, используемых в качестве строительных материалов на наледных участках, на данном этапе совершенно недостаточна. Выбор методов и методик борьбы с наледями (ВСН 210-91, Рябов, 1974 и др.), в которых предлагались бы конструктивные и противоналедные мероприятия, представляет весьма серьезную проблему. До настоящего времени отсутствует методика оценки потенциальной наледной опасности и научно-обоснованного выбора эффективных противоналедных мероприятий. Эти принципиальные вопросы и послужили основой для выбора цели исследований.
Методика исследований на наледных стационарах
В Забайкалье самый обширный и длительный:ряд режимных наблюдений за наледями (Нижнеингамакитской, Намингинской, Среднесакуканской, Муру-ринской и др.) имеется: по Верхнечарскому наледному бассейну. Здесь в ходе разведки месторождений подземных вод или: целенаправленно- (Муруринская наледь) изучался режим формирования и разрушения наледей, установлены и выявлены некоторые закономерности формирования наледей от мерзлотно-гидрогеологических условий территории. Для остальных наледных бассейнов Забайкалья, кроме центральной части Ингодинского бассейна (район г. Чита), сведения о режиме наледеобразования крайне скудны, а за последние десятилетия практически отсутствуют.
В соответствии с выбранными критериями участки размещения наледных стационаров для режимных наблюдений за природными наледями были выбраны в пределах горной (Читкандинский) и предгорной (Куликандинский) частей хр: Удокан в Верхнечарском наледном бассейне, центральной части Читино-Ингодинской впадины - долине ручья Наледный, правого притока р. Ингода,. вблизи г. Чита (Центральный). Наледные стационары располагались в различных природных зонах Забайкалья. Одновременно с режимными наблюдениями осуществлялись эпизодические (два раза в год) маршрутные обследования наледных участков с отбором проб горных пород, наледеобразующих вод и наледного льда. Они были выполнены в Верхнечарском, Ингодинском, Хилокском, Чикойском, Газимуро-Аргунском, Ононском и других наледных бассейнах.
На наледных стационарах в соответствии с методическими рекомендациями (Алексеев, Соколов, 1980) и др. решались следующие задачи:
- исследовалась динамика роста и таяния наледей в годовом и многолетнем циклах;
- определялись источники питания наледей, занимаемые ими площади и объемы наледного льда;
- выявлялся характер взаимосвязи наледей с речным и подземным стоком, оценивались ресурсы подземных вод, принимающих участие в питании наледей;
- устанавливалась взаимосвязь периодов активизации и спадов процессов наледеобразования с метеорологическими, гидрологическими, гидрогеологическими и геокриологическими условиями территории;
- оценивалась степень влияния наледей на инженерные объекты и горные породы.
Для этого по стандартной методике разбивался наледный полигон и устанавливались, размеченные вехи, причем нуль каждой вехи совпадал с поверхностью земли. На наледный полигон составлялась картограмма (рис. 3.2), масштаб которой зависел от размеров наледи. На картограмму записывались и зарисовывались результаты инструментальных и визуальных наблюдений, места отбора проб воды (льда) и результаты измерения расходов воды по створам.
Наблюдения на наледных полигонах осуществлялись в период стояния наледи один раз в декаду. По данным каждой ледомерной съемки определялись следующие характеристики наледи: площадь, средняя мощность, объем, а также вычислялся слои нарастания или стаивания путем сравнения с результатами предшествовавших наблюдений (Соколов и др., 1984). По картограммам планиметром определялись площади между профилями.
Полевое изучение процессов сопутствующих наледеобразованию -криогенного выветривания, инъекционного льдообразования, термоэрозии и других выполнялось по имеющимся руководствам и по оригинальной методике. Для изучения криогенного выветривания и эрозионных процессов использовался гранулометрический анализ донных наносов методом фотографирования и методика изучения инъекционных льдов (Верхотуров, Кондратьев, 1983). Для учета объема формирующихся в пределах наледной поляны подземных льдов после разбивки полигона (осенью - перед началом наблюдений) нивелировались нули вех по поперечникам. Далее по результатам весеннего нивелирования поверхности льда у ледомерных вех — в период максимального стояния наледи, летнего нивелирования поверхности земли у вех - сразу после схода наледи и осеннего нивелирования поверхности земли у ледомерных вех — после оттайки инъекционных льдов, определялись объемы подземных льдов, формирующихся в пределах наледной поляны. Методика расчета площадей, занимаемых инъекционными льдами, их мощностей и объемов аналогична расчетам при определении объемов наледей (формулы 3.1...3.4). Только вместо отсчетов по вехам используются разница в отметках нулей ледомерных вех, определенных в результате весенне-летнего и осеннего нивелирования. На Читкандинском наледном стационаре для более детального изучения инъекционных льдов был выполнен комплекс геофизических работ, включающий электропрофилирование методом двух составляющих с регистрацией AUBn (МДСВП) совместно с вертикальным электрическим зондированием.
При изучении условий питания и разгрузки подземных и поверхностных вод, идущих на образование наледей, широко использовались гидрологические наблюдения выше и ниже участков формирования наледей (рис. 3.3) , на боковых притоках, чтобы были полностью учтены поверхностные воды, поступающие на наледную поляну и проходящие транзитом под наледью подземные воды (подрусловой сток). В зависимости от характеристик водотока (ширина, глубина) расходы измерялись вертушками ГР-21М, ГР-99; на водосливах или переносными водосливными рамками (рис. 3.3). Частота измерений обеспечивала построение гидрографа водотока. Для определения участков разгрузки подземных или техногенных вод в пределах наледных полян в летний период выполнялась тепловая съемка поверхностных вод с использованием родниковых термометров.
Кроме этого на наледных полигонах изучались:
- геоморфологическая приуроченность наледей и их влияние на рельеф;
- участки разгрузки подземных вод, характер распространения и мощности ММП, глубины сезонного оттаивания и температура ММП;
- причины и условия разгрузки подземных и поверхностных вод, вызывающих образование наледи (наличие зон разломов, смена литологического состава пород и т.д.), их температуры;
- характеристика таликов (размеры, тип: напорно-фильтрационные, грун-тово-фильтрационные и др.);
- химический состав подземных, поверхностных вод и наледного льда.
Оценка влияния наледей на эксплуатацию инженерных сооружении
Динамика образования природно-техногенных наледей на участках строительства линейных сооружений существенно отличается от наледеобразования в естественных условиях. Образование природно-техногенной наледи было изучено нами на участке р. Наледный, расположенного в окрестностях г. Чита. Здесь в водопропускной трубе ежегодно формируется наледь. В первые годы с момента начала эксплуатации мощность наледи постоянно увеличивалась. Так, в 1982 г. она была равна 50 см, в 1983 г. - 70 см, в 1984 г. - 120 см, а в 1985 году достигла 2 м. До настоящего времени зимой наледь полностью заполняет трубу и перекрывает автодорогу Еремино - Чита. Это осложняет или прекращает ее эксплуатацию на 1,5-2,0 мес. Увеличение мощности наледи обусловлено локальным изменением гидротермических условий. До начала строительства линейного сооружения кровля ММП залегала на глубине 2...3 м. В ходе строительства водопропускной трубы (ширина 2,2 м, высота 2,5 м, длина 50 м), рыхлые отложения и элювиальные образования коренных пород заменили щебнисто-глыбовыми породами с песчано-суглинистым заполнителем (до 30 %). Вследствие замены грунта в основании сооружения произошло локальное перераспределение поверхностного стока (на выходе из трубы он составлял 60-70 % расхода воды в ручье перед входом в трубу) и, как следствие, увеличился тепломассообмен. Эти изменения вызвали увеличение объема несквозного талика на участке трубы и выше по долине р. Наледный. Находящаяся с нижней стороны трубы грунтовая автодорога, отсыпанная щебнисто-дресвяным материалом с суглинистым заполнителем до 40 %, явилась барражом на пути подруслового потока. Это связано с низкими фильтрационными свойствами материала отсыпки и поднятием кровли многолетнемерзлых пород на 1-2 м.
Повышение кровли многолетнемерзлых пород при отсыпке насыпей из крупнообломочных пород происходит в Забайкалье в большинстве случаев, что обусловлено малой мощностью снежного покрова и низкими зимними температурами.
Воздействие природно-техногенных наледей на борта карьеров, откосы, дамбы при разработке месторождений полезных ископаемых осложняет их эксплуатацию. Природно-техногенные наледи, образующиеся в карьерах, на первом этапе представляют собой гирляндообразные ледяные образования, верхняя граница развития которых указывает на глубину залегания кровли многолетнемерзлых пород. На первом этапе создания карьеров при неглубоком залегании подошвы ММП или водоупорных пород наледные воды могут перекрывать борта полностью, или образовывать плащеобразные ледяные тела мощностью до 0,5 м у подножий уступов карьеров как, например, на Уртуйском угольном разрезе (рис. 4.7).
Формирование наледей возможно и в случае отсутствия многолетнемерз-лых пород. Наледи, создавая дополнительную пригрузку и увлажняя фунты, снижают устойчивость откосов и бортов карьеров. Когда карьеры достигают больших глубин, наледи могут образовывать несколько ярусов. Это происходит при наличии прерывистой криолитозоны и при чередовании пластов горных пород, служащих водоупорами и коллекторами подземных вод, как это наблюдалось нами в карьере Шерловогорского ГОКа, разрезе «Восточный» и др.
Природно-техногенные наледи интенсивно развиваются и при строительстве нагорных канав. В случае, когда они одновременно служат не только для перехвата стока поверхностных вод со склонов, но и кюветами для обваловки шламохранилищ, мощность наледей вследствие дополнительных притоков из шламохранилища существенно увеличивается (Шестернев, Верхотуров, 2006). Например, на прииске Усть-Кара в декабре 2003 г. произошло подтопление домов по ул. Юбилейной, связанное с залповым сбросом воды из верхнего пруда-отстойника в нижележащий дражный полигон для сохранения на плаву драги № 53. Увеличение напора поверхностных вод р. Кара привело и к увеличению напора тесно связанных с ними вод подруслового талика и формированию значительно большей по объему, чем в многоводные годы, наледи на р. Кара в пределах населенного пункта (рис. 4.8).Широтная зональность и высотная поясность определяют воздействи-ие наледей на инженерные сооружения в Забайкалье. Его характер в первую очередь зависит от их влияния на режим эксплуатации. Если нарушения эксплуатационных характеристик инженерного сооружения не происходит, то воздействие рассматривается с позиций обеспечения долговременной устойчивости объекта. В противном случае речь идет о чрезвычайной ситуации (ЧС) и катастрофическом воздействии, особенно на транспортных магистралях (рис.4.10).Чрезвычайная ситуация возникает, если наледь перекрывает дорожное покрытие, затапливает здания, горные выработки и т.п. Если режим эксплуатации не нарушается, негативное воздействие наледей на инженерное сооружение не может рассматриваться как катастрофическое В горных районах северного Забайкалья, где температуры, горных составляют от +0,5 С ( в таликах и таликовых зонах) до -10 С в высокогорьях на водотоках 1-го и 2-го порядка, формирование наледей заканчивается к январю месяцу. Мощности наледей менее 0,5-1,0 м, площади 30—100 тыс. м2, степень воздействия наледей на инженерные соору-женшг может оцениваться как слабая (Шестернев, 2005). В данных условиях дренирующие насыпи и водопропускные трубы, с учетом? наледеобразующего расхода г % обеспеченности, вполне обеспечивают нормальный режим эксплуатации.
В долинах рек 2-го порядка, расположенных в среднегорье, где мощности наледей более 1,0 м, площади 100-300 тыс. м , время формирования. составляет 3-5 месяцев. Породы в долинах имеют температуры от +1 до —5 С и глубины сезонного оттаивания до 3 м. Степень воздействия их на инженерные сооружения может быть оценена как средняя. В данном случае требуются значительно более высокие насыпи и водопропускные трубы большого диаметра. или многопролетные мосты. Через несколько лет после эксплуатации из-за подъема кровли ММП под насыпью нарушаются условия фильтрации, происходит пучение и дезинтеграция грунтов земляного полотна.
В долинах рек 3-го порядка в низкогорье, где мощность наледей более 1,5 м, площади составляют 300-500 тыс. м , время формирования 3-5 месяцев. Здесь при строительстве дорог используют высокие насыпи и многопролетные мосты. Степень воздействия наледей на инженерные сооружения изменяется от средней до сильной. Сильное воздействие оказывают наледи, имеющие мощность больше высоты насыпи (Шестернев, 2005).
После длительной эксплуатации дороги, иногда происходит существенное снижение несущей способности грунтов насыпи, вызванное воздействием наледи. В этом случае затраты на восстановление балластной призмы могут быть весьма значительными, а воздействие может быть оценено как сильное, а при возникновении аварийных ситуаций как катастрофическое.
На участках переходов дорог через водотоки 4-го порядка мощности наледей составляют 1, 5-7 м, площади превышают 500 тыс. м", время образования наледей здесь достигает 4—6 мес. Развитие наледей здесь оценивается как сильное или катастрофическое.
В долинах рек 5-го и 6-го порядка в пределах впадин наледи имеют размеры 500-5 000 тыс. м и более. Воздействие наледей здесь может быть сильным или катастрофическим, но такие участки, как правило, обходят, если позволяет рельеф. Это значительно удорожает строительство; но снижает издержки при эксплуатации.
Воздействие наледей, надмерзлотных вод проявляется на откосах и бортах карьеров в начальный период (2-4 года) эксплуатации сооружений. После изменения положения кровли мерзлых пород, в результате сезонного оттаивания, процесс несколько затухает или прекращается. Воздействие наледей на инженерные сооружения, в этом случае, можно оценить как слабое
Управления наледными процессами в Забайкалье
В Забайкалье в разные годы были реализованы практически все из перечисленных методов противоналедной борьбы, но не все они давали положительный результат. В северных районах при строительстве БАМа и других объектов, в основном, использовались пассивные методы: обхода наледных участков и безналедный, пропуск.
В- южных и- центральных районах для борьбы, с: наледями используются как пассивные; так, и активные методы.
Например, для борьбы с наледью нар Баляга в 2,5 км выще пос. Баляга в русле реки был создан барраж (мерзлотныйшояс) налути подруслового потока, представляющий цепочку из забитых в дно реки металлических труб. Вследствие более быстрого промерзания подрусловых отложений вокруг труб часть подруслового потока разгружалась на участке барража, а наледь, формирующаяся в пределах поселка, имела значительно меньшие размеры. После 1991 г. мерзлотный пояс перестал функционировать, что связано с пуском водовода в г. Петровский Завод и увеличением стока, в том числе и подруслового р. Баляга, ростом отепляющего влияния подземных вод. Район характеризуется островным распространением многолетнемерзлых пород с температурой от -0.1 С до -1.0 С и мощностью до 50 м (Геокриология..., 1989). Острова многолетнемерзлых пород приурочены, в основном, к глинистым отложениям поймы р. Баляга; развитым в нижней и на отдельных участках в верхней частях на-ледной поляны.
Когда барраж работал, наледь катастрофические размеры имела лишь в отдельные годы (1963, 1991 гг.). В 1999 г. размеры наледи были максимальными, она подтопила значительную часть поселка. На участке мостового перехода (железнодорожная ветка Катангарского лесокомбината) она вплотную подошла к рельсошпальной решетке, закупорив пролетное строение. О том, что такая ситуация на данном участке случается неоднократно, свидетельствует труба, с помощью которой выполняется оттаивание паром наледи, перед пропуском воды в половодье.
Другим примером могут быть пассивные противоналедные мероприятия, использовавшиеся на р. Кадахта.
Р. Кадахта, протекающая через с. Кадахта, характеризуется быстрым течением наличием перекатов. В двух километрах от центра села в русле имеется сквозной талик шириной 10-15 м, не замерзающий в зимний период. Наледь в поселке образуется периодически, через 15-20 лет, заливая пойму реки и некоторые прилегающие улицы.
В 1990 г. были проведены профилактические мероприятия, включающие:
1) устройство канала по руслу р. Кадахта длиной 2,5 км от р. Ингода до автодорожного моста;
2) отсыпку дамбы длиной 1000 м вдоль русла;
3) строительство трех железобетонных мостов.
Возникновение чрезвычайной ситуации (ЧС) при образовании наледи в январе 1999 г. показало, что для обеспечения защиты поселка этих мероприятий оказалось недостаточно, поэтому для ликвидации ЧС была отсыпана дамба длиной 350 м и выполнен комплекс других оперативных мероприятий.
В Красночикойском районе у с. Шимбилик длительное время снижение наледной опасности на р. Нижний Олентуй осуществлялось созданием временной противофильтрационной завесы (забивка кольев в аллювиальные отложения русла, закладка мха и т.д.) на участке выхода русла во впадину, что обеспечивало защиту населенного пункта и автомобильной дороги.
Аналогичный прием использован при защите от наледи с. Красные Речки в этом же районе. Здесь на участке выхода р. Дурновка в Чикойскую впадину была создана противофильтрационная завеса и противоналедная дамба с отверстием для пропуска воды в летний период. На зимний период это отверстие за крывается деревянными щитами и металлической сеткой, а вся наледь концентрируется выше по течению.
Подобное защитное мероприятие использовано и в самом районном центре - с. Красный Чикой, где путем концентрации подруелового потока в едином русле (дренажной траншее) наледеобразующие воды отводятся на участок, где наледь не представляет опасности. В этом же населенном пункте путем создания пруда-накопителя, обеспечивается регулирование процесса образования наледи. Сброс наледеобразующих вод здесь производится с помощью трубы диаметром 300 мм, уложенной в траншею и утепленной, на гипсометрически нижележащие уровни, где наледь не представляет угрозы. Расход воды в трубе регулируется с помощью задвижки, установленной на трубе в колодце верхнего бъефа. На случай высоких паводковых расходов в летний период имеется водосброс, обеспечивающий их пропуск. Таким образом, в Красночикойском районе имеется достаточно большой опыт противоналедной борьбы с использованием постоянно действующих сооружений.
Хорошую эффективность при защите от наледных процессов на малых водотоках показывают гофрированные трубы большого диаметра на автомобильной дороге Амур (рис. 5.2).
Кроме рассмотренных способов широко используется создание закрытых трубчатых подземных горизонтальных дренажей в виде перфорированных труб на участках выхода подземных вод с гравийной засыпкой (по типу обратного фильтра) и отвод наледных вод за пределы участка с разгрузкой на рельеф. Для предотвращения промерзания труб на участках транзита они должны быть утеплены или заложены ниже глубины сезонного промерзания. Закрытый дренаж должен быть оборудован системой смотровых колодцев. Подобная система длительное время эксплуатируется на 4-м километре дороги Чита - Смолен-ка и, по предложению автора, на дороге микрорайон Северный - магазин «Дорожный» в г. Чита.
