Лекция 7. Прогноз изменения геокриологических условий при освоении территории

Физико-химические и механические процессы в протаивающих породах.Протаивание крупнообломочных и песчаных пород, как слабольдистых, так и льдонасыщенных, сопровождается обычно развитием сравнительно простых физико-химических процессов, таких, как уплотнение, обезвоживание, осадка и других, связанных с некоторым сближением и переориентировкой обломков и песчаных частиц, а также стоком по на-клонному водоупору или инфильтрацией гравитационной влаги в нижележащие горизонты. Иначе и сложнее протекает оттаивание тонкодисперсных (супесчаных, суглинистых и глинистых) мерзлых пород. При этом следует выделять (как и в случае промерзания) два типа протаивания: без миграции и с миграцией влаги из оттаивающей зоны в мерзлую часть породы.

Протаивание тонкодисперсных пород без подтока воды в мерзлую зону происходит обычно либо при быстром продвижении фронта оттаивания, либо при малой влажности (льдистости) этих пород и практически всегда приводит к деформациям осадки. Вода, образующаяся в породе в результате таяния порового и шлирового льда, расходуется в случае быстрого протаивания (без развития процесса миграции влаги) на гидратацию грунтовых частиц либо под действием сил гравитации уходит из породы.

Плавление порового, контактного и пленочного льда при повышении отрицательной температуры мерзлой породы обеспечивает увеличение содержания незамерзшей воды и ее подвижности, что создает условия для локальной миграции влаги в пределах обезвоженных при промерзании грунтовых элементов (агрегатов, блоков, частиц) и приводит к их гидратации и набуханию. В изменении структурных связей между грунтовыми элементами заметную роль играет процесс осмотического набухания обезвоженных при промерзании грунтовых отдельностей (Осмос – форма диффузии – процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону большей концентрации). В наибольшей мере осмотическое набухание проявляется при 0°С, когда заканчивается таяние порового льда и льда включений и структурные элементы имеют возможность раздвигаться. При оттаивании сильнольдистых пород их влажность может даже превышать влажность предела текучести. Именно с этим связано широкое развитие на Крайнем Севере тиксотропных грунтов.

При медленном протаивании дисперсных пород с миграцией влаги из протаявшей части в мерзлую часть развиваются практически все те физико-химические процессы, которые имеют место и в случае протаивания пород без миграции влаги. Однако наряду с ними возникает и протекает ряд новых физико-химических процессов. В мерзлой части протаивающих пород по мере поступления мигрирующей влаги наблюдается увеличение льдосодержания, а нередко новообразование и рост миграционно-сегрегационных прослоев льда. В талой же части протаивающих пород вследствие процесса усадки наблюдаются обезвоживание грунтовых агрегатов, некоторое их сближение, укрупнение и уплотнение.

В целом и при быстром, и при медленном протаивании пород наблюдается увеличение их дисперсности в результате диспергации и пептизации грунтовых агрегатов и блоков, а также за счет дробления первичных песчаных частиц. В таком преобразовании структурных элементов определяющую роль играет совместное действие температурного и гидратационного механизмов разрушения.

При циклическом промерзании и протаивании дисперсных пород идут физико-химические процессы, характерные как для промерзающих, так и для протаивающих пород. Особенностью многократного промерзания и протаивания является накопление в дисперсных породах частиц пылеватых фракций за счет разрушения песчаных частиц.

Достаточно часто циклические промерзание и протаивание приводят к дифференциации промерзающей породы по дисперсности. Причиной этого является перемещение (выпучивание) более крупных отдельностей грунта в направлении более низких, температур.

Под геокриологическим прогнозом (по В. А. Кудрявцеву) понимается научное предсказание развития и изменения геокриологических условий, которые произойдут в будущем либо в связи с естественным ходом развития природы, либо в связи с хозяйственным освоением территории.

В соответствии с данным определением различают два вида прогноза: эволюционный (естественно - исторический) и техногенный. Первый включает прогнозную оценку изменения характеристик многолетнемерзлых пород и протекающих в них процессов под влиянием естественной динамики климата, неотектоники, уровня мирового океана, процессов денудации и осадконакопления, ледяных покровов, гидрогеологических, гидрологических и геоботанических условий.

Техногенный прогноз включает в себя оценку изменения геокриологических условий под влиянием разнообразных техногенных нарушений природного комплекса (начиная от локальных изменений ландшафтных и геокриологических условий и кончая глобальными преобразованиями природы — созданием искусственных водохранилищ, загрязнением промышленными отходами атмосферы, поверхностных и подземных вод, изменениями их температурного режима и др.). Одним из важнейших разделов техногенного прогноза является инженерно-геокриологический прогноз, который составляется для решения таких практических задач, как выбор строительных площадок и трасс линейных сооружений, оценка вариантов размещения строительных объектов и выбор принципов их строительства, выбор способов прокладки транспортных магистралей и способов разработки месторождений полезных ископаемых. На основе инженерно-геокриологического прогноза рекомендуются мероприятия, исключающие или ограничивающие последствия нарушения природного равновесия геосистем, разрабатываются способы управления мерзлотным процессом. При этом в соответствии с характером техногенных воздействий прогнозируются: изменения температурного режима пород; динамика, масштабы проявления процессов многолетнего промерзания и протаивания горных пород; изменение их состава, строения и свойств; развитие криогенных, геологических процессов, возможность их активизации и возникновения новых, время их стабилизации, условия, вызывающие прогрессирующее развитие. Во всех случаях инженерно-геокриологический прогноз должен составляться с учетом результатов эволюционного прогноза. Характер и постановка задач определяются в зависимости от региональных особенностей территории, детальности исследований (масштаба геокриологической съемки и изысканий) и их целенаправленности.

Цель, основные задачи и методы прогнозирования на разных этапах (стадиях) инженерно-геокриологических исследований приведены в табл. 8.1, из которой видно, что при прогнозе в мелком и среднем масштабах одним из основных результатов прогнозирования должна быть оценка чувствительности и устойчивости территории с многолетнемерзлыми породами к техногенным воздействиям. При этом под «чувствительностью» следует понимать реакцию геосистемы на воздействия, степень ее изменения, а под «устойчивостью» — способность геосистемы противостоять воздействиям без изменения ее состояния и структуры. Чувствительность геосистемы (природного комплекса) не зависит от техногенных воздействий, она является ее свойством, способностью реагировать на воздействия. Оно всегда характеризуется степенью (величиной) изменения отдельных (или ряда) геокриологических характеристик под влиянием отдельных (или суммы) воздействий.

Техногенный геокриологический прогноз по особенностям воздействия строительства на природную среду подразделяется на:

а) общий прогноз, предусматривающий оценку изменения составляющих природного комплекса без учета теплового и механического воздействия самого сооружения;

б) инженерный прогноз, включающий оценку результатов непосредственного воздействия сооружений на геокриологическую обстановку.

Этапы, задачи и методы геокриологического прогноза

Этапы инженерно-геологических исследований	Цель геокриологического прогнозирования	Основные задачи геокриологического процесса	Методы прогнозирования
I - этап инженерно-геологическое обоснование генеральных схем развития народного хозяйства на базе инженерно-геологических исследований природных регионов и зон в обзорных масштабах (1: 2 500 000, 1: 1 000 000)	Оценка влияния геокриологической обстановки на природные ресурсы	1. Прогноз естественной динамики геокриологических условий 2. Оценка чувствительности геокриологической обстановки к техногенным воздействиям 3. Оценка возможности управления мерзлотным процессом для эффективного использования природных ресурсов	1. Метод аналогий на основе изучения опыта освоения 2. Логическое и математическое моделирование 3. Экспертные оценки
II - этап инженерно-геологическое обоснование многоотраслевого освоения отдельных регионов на базе государственной инженерно-геологической съемки в масштабе 1:500 000 (1:100 000)	Обеспечение рационального использования территорий (оптимизация, размещение и приемы строительства сооружений)	1. Оценка устойчивости геокриологической обстановки и допустимых техногенных воздействий 2. Оценка обратного воздействия изменений геокриологической обстановки на развитие ландшафтов 3. Прогноз эффективности мероприятий, обеспечивающих надежность сооружений и охрану природной среды	1. Метод аналогий на основе изучения опыта строительства 2. Математическое и физическое моделирование (в т.ч. режимные наблюдения) 3. Экстраполяция 4. Классификация ММП и мерзлотных процессов
III – этап инженерно-геологическое обеспечение проектирования промышленных и других объектов на базе инженерно-геологических изысканий (1:50 000 до 1:2000)	Инженерно-геокриологическая оценка строительных площадок и трасс	1. Прогноз влияния инженерной подготовки территории на геокриологическую обстановку 2. Прогноз теплового и механического взаимодействия сооружений с грунтами основания 3. Прогноз геокриологической обстановки в связи с применением приемов мелиорации грунтов и рекультивации ландшафтов.	1. Математическое и физическое моделирование 2. Метод аналогий на основе изучения опыта строительства

При составлении общего геокриологического прогноза характеризуются возможные изменения мерзлотных условий на предполагаемой территории строительства в результате проведения таких мероприятий, как нарушение растительного покрова, условий снегонакопления, замена грунтов оснований, планировка поверхности, изменение условий поверхностного и грунтового стока, устройство искусственных покрытий, газонов, насаждение деревьев, кустарников и т. д. Необходимость составления общего геокриологического прогноза при решении инженерных задач, связанных с хозяйственным освоением криолитозоны, обусловлена тем, что тепловыделяющие или теплопоглощающие сооружения при любых видах строительства занимают лишь часть площади нарушенных территорий.

При инженерном прогнозировании оцениваются особенности теплового и механического воздействия сооружений с многолетнемерзлыми породами.

Для оценки влияния техногенных воздействий на геокриологическую обстановку применяются различные методы, из которых наибольшее развитие получили методы математического моделирования.

При составлении инженерного геокриологического прогноза с использованием одного метода или их комплекса должен соблюдаться - единый методический подход, сущность которого сводится к последовательному изучению закономерностей формирования геокриологических условий с оценкой роли и влияния каждого фактора природной среды.

В зависимости от продолжительности отрезка времени, для которого прогнозируются изменения геокриологических условий, прогноз подразделяется на кратко-, долго- и сверхдолгосрочный. Краткосрочный прогноз составляется на период до 10 лет и характеризует изменения геокриологических условий под влиянием короткопериодных (3; 11 лет) колебаний климата. Долгосрочный прогноз составляется на период от 10 до 100 лет и ориентирует на изменение геокриологических и связанных с ними гидрогеологических и инженерно-геологических характеристик, соответствующих новому установившемуся температурному и влажностному режиму пород на освоенных территориях. Сверхдолгосрочный прогноз составляется для особо ответственных сооружений на период, превышающий 100 лет, в основном для оценки изменений геокриологических условий под влиянием естественной динамики природной среды или региональных и глобальных ее преобразований, приводящих к изменению теплового состояния пород на больших территориях, а также для оценки длительного воздействия сооружений на геокриологическую обстановку.

При городском строительстве температурный режим грунтов формируется под влиянием многих факторов, условно разделенных (Г. В. Порхаевым и В. К. Щелоковым) на три группы общие, локальные и специфические. К общим факторам относятся составляющие внешнего тепло- и массообмена на застроенной территории: радиационный баланс, турбулентный теплообмен, затраты тепла на испарение и конденсацию влаги на земной поверхности. К локальным факторам, обусловливающим значительное изменение температурного режима грунтов в пределах сравнительно небольшой площади, относится тепловое воздействие на грунты оснований зданий, сооружений, коммуникаций. К специфическим - характерные только для определенных территорий. Для одних районов — это гидрогеологические особенности, для других — условия атмосферной циркуляции и т. д.

При линейном строительстве в задачи техногенного геокриологического прогноза входит оценка изменения температурного режима грунтов в полосе трассы вне области влияния линейного сооружения (общий прогноз) и в области теплового и механического влияния сооружения (инженерный прогноз). Для железных и автомобильные дорог обосновываются необходимые параметры насыпей, выемок, искусственных сооружений (высота, материал насыпи и т. п.) для обоснования выбора принципа использования грунтов как оснований земляного полотна. Для трубопроводов производится оценка мощности и динамика ореолов протаивания или промерзания грунтов при выбранном способе прокладки, технологическом режиме эксплуатации и конструктивных особенностях.

При гидротехническом строительстве основными задачами прогноза являются: обоснование выбора способа проектирования тела плотины (в мерзлом или талом состоянии); расчет охлаждающих систем, необходимых для сохранения ядра плотины в мерзлом состоянии; расчет динамики многолетнего оттаивания грунтов под водохранилищем; оценка интенсивности переработки берегов и др. Большое значение при гидротехническом строительстве имеет оценка изменения природных, в том числе и геокриологических, условий на территории, примыкающей к водохранилищу.

При подземном строительстве наиболее важной задачей является прогнозная оценка температурного режима грунта с целью выбора наиболее безопасного и экономического метода отработки полезного ископаемого, проходки шахтных стволов, тоннелей, горных выработок.

Техногенный геокриологический прогноз для целей агробиологического освоения территории включает задачу обеспечения наиболее оптимального почвенного климата, расчет температурного режима грунтов и глубин слоя сезонного промерзания и протаивания, а также времени существования положительных и отрицательных температур на поверхности почвы и различной глубине.

Формулировка задач прогноза изменения показателей свойств зависит прежде всего от результатов прогноза изменения температурного режима пород. При этом рассматриваются два случая: 1) когда среднегодовая температура пород изменяется (повышается или понижается) в пределах отрицательных значений и происходит изменение соотношения незамерзшей воды и льда в породах; 2) когда изменяется знак среднегодовой температуры и происходит изменение агрегатного состояния, состава и строения породы.

Прогноз криогенных геологических процессов базируется на установлении зависимостей характера развития каждого процесса от факторов, обусловливающих этот процесс.

Наибольшее количество работ посвящено методам оценки пучиноопасности грунтов. Количественные характеристики величины пучения грунтов и неравномерности пучения по площади могут быть получены с помощью методов расчета, Прогноз вероятности развития солифлюкции может быть осуществлен с помощью приближенных формул. Методы прогноза термоэрозии рассмотрены в работах разных авторов.