Формирование температурного режима грунтов оснований зданий крупных теплоэнергетических объектов в криолитозоне (на примере Якутской ТЭЦ) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, кандидат наук Заболотник Павел Станиславович

• Заболотник Павел Станиславович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Заболотник Павел Станиславович

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИРОДНЫЕ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ

УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ ЯТЭЦ

1.1. Географическое положение

1.2. Климатические условия

1.3. Инженерно-геологические условия

1.4. Гидрогеологические условия

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

3. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ЯТЭЦ

4. СВЯЗЬ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ ЯТЭЦ С ТЕМПЕРАТУРОЙ ВОЗДУХА

5. ВЛИЯНИЕ АВАРИЙНЫХ УТЕЧЕК ВОДЫ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ГРУНТОВ

6. ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГРУНТОВ В ОСНОВАНИИ ЗДАНИЙ ЯТЭЦ ЗА 80-ЛЕТНИЙ ПЕРИОД ЕЁ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

В В Е Д Е Н И Е

Якутская центральная электрическая станция (ЯЦЭС) была введена в постоянную эксплуатацию 7 ноября 1937 года и с тех пор обеспечивает город электроэнергией, а с 1961 г. и теплом. В связи с постоянным увеличением сети тепловых магистралей в 1969 г. ЯЦЭС была реорганизована в Якутскую теплоэлектроцентраль - ЯТЭЦ (Над Леной ТЭЦ..., 2007).

Здание ЯЦЭС является первым промышленным объектом страны, построенным по принципу использования вечномёрзлых грунтов в качестве его основания в мёрзлом состоянии.

В течение 80-летней эксплуатации эпизодически возникали проблемы обеспечения устойчивости сооружений из-за частичного оттаивания многолетнемёрзлых грунтов под ними. Они были обусловлены главным образом утечками нагретых производственных вод непосредственно в грунты оснований из дренажных труб, канализационных сетей и других коммуникаций.

Произошедшие изменения состояния криолитозоны непосредственно влияют на устойчивость зданий и сооружений. Частичное оттаивание многолетнемёрзлых пород под ними приводит к неравномерным осадкам отдельных элементов конструкций, а последующее промораживание грунтов, наоборот, к их выпучиванию. Подвижки фундаментов приводили к деформациям, наиболее характерными из которых являются трещины стен, частичное разрушение оголовков свай и сколы с оголённой арматуры, прогибы рандбалок. Повышение температуры многолетнемёрзлых пород (ММП) приводит к увеличению глубины деятельного слоя, что тоже негативно сказывается на состоянии фундаментов.

В последние годы наблюдается постепенное восстановление температурного режима грунтов в основании зданий и на примыкающим к ним участках. Однако происходит оно очень медленно и на полное промерзание частично оттаявших грунтов естественным образом понадобятся многие годы.

Актуальность работы определяется тем, что за 80 лет эксплуатации зданий и сооружений Якутской ТЭЦ (ЯТЭЦ) накоплен опыт контроля за тепловым состоянием грунтов их оснований в условиях интенсивной техногенной нагрузки. Этот опыт является бесценным и может быть перенесён как на действующие объекты, так и на вновь застраиваемые территории криолитозоны.

Контролем состояния грунтов обычно занимаются различные изыскательские, строительные, эксплуатирующие и надзорные организации. Часто контроль ведётся формально, по одной-двум скважинам, расположенным вдоль стен здания, и не захватывает ни пространство непосредственно под ним, ни прилегающую к нему территорию.

Цель работы - выявление основных закономерностей формирования температурного поля грунтов на территории крупного промышленного объекта.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1) обобщить и проанализировать имеющиеся сведения о геокриологических условиях рассматриваемой территории;

2) рассмотреть все факторы, влияющие на существующую геокриологическую обстановку (природные - изменчивость климата, гидрогеологические и инженерно-геокриологические условия, а также техногенные - воздействие аварийных утечек воды, тепловое влияние заглублённых частей зданий и др.);

3) выявить основные тенденции изменения геокриологических условий, оказывающие влияние на устойчивость сооружений.

Материалы, положенные в основу диссертации, были получены в процессе реализации плановых НИР Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН за период с 1982 по 2017 гг.

Начиная с 2007 г. автор принимал непосредственное участие в реализации ряда разделов фундаментальных НИР института, имеющих самое непосредственное отношение к разрабатываемой проблеме. К ним относятся проекты:

1) У11.63.2.4. «Структура и состояние многолетнемерзлых пород при меняющемся климате и техногенных воздействиях на севере Азии»;

2) УШ.77.2.1. «Горные оледенения и криолитозона континентальных районов Центральной и Северо-Восточной Азии. Реакция гляциальных и криогенных формаций на современные климатические изменения»;

3) 1Х.135.2.1. «Строение, возраст и условия формирования криолитозоны континентальных районов Центральной и Северо-Восточной Азии».

Научная новизна работы

На основе анализа многолетних наблюдений впервые оценено влияние длительной эксплуатации зданий и сооружений Якутской ТЭЦ на температурный режим их грунтовых оснований.

Доказано, что главной причиной образования водоносных таликов под зданиями и прилегающими к ним территориями являются утечки горячей и агрессивной сетевой воды.

Установлено, что восстановление температурного режима грунтов в основании зданий ЯТЭЦ и на примыкающим к ним участках под действием природных факторов происходит очень медленно. На полное восстановление мёрзлого состояния грунтов требуются многие годы.

Практическая значимость

Полученные результаты исследований переданы руководству Якутской ТЭЦ и ПАО «Якутскэнерго» и используются ими при планировании проведения ремонтных работ, контрольных и профилактических мероприятий. Кроме того они могут быть применены для анализа и прогноза состояния грунтов оснований инженерных сооружений на урбанизированных территориях криолитозоны, при разработке рекомендаций для эксплуатационных служб и при проведении восстановительных работ.

Основные защищаемые положения диссертационной работы

1. За 80 лет эксплуатации Якутской ТЭЦ температура грунтов на глубине заложения фундаментов зданий, расположенных на участках с минимальной техногенной тепловой нагрузкой повысилась всего на 0,4-0,5°С, в то время как

средняя годовая температура воздуха в г. Якутске повысилась за это время почти на 3°С.

2. Скорость восстановления температурного поля растеплённых участков и период промерзания таликов, образованных в грунтовых основаниях некоторых зданий, определяется не только продолжительностью и объёмом утечек горячих вод из водонесущих коммуникаций, но и фильтрационными свойствами грунтов и условиями стока формирующихся подземных вод за пределы территории ЯТЭЦ.

3. Результаты проведённого геотермического мониторинга и многолетняя эксплуатация ЯТЭЦ свидетельствуют о том, что в Центральной Якутии на террасовых комплексах р. Лены можно возводить крупные промышленные здания не только по первому, но и по второму принципу строительства на многолетнемёрзлых грунтах.

Личный вклад

Автор принимал непосредственное участие в проведении режимных геотермических исследований на объекте исследований в период с 2007 г. и продолжает их в настоящее время, являясь ответственным исполнителем этих работ. Он обосновывал выбор местоположения буровых скважин и проводил отбор образцов проб грунта и воды, осуществлял обработку, анализ и обобщение новых и ранее полученных данных по теме исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование температурного режима грунтов оснований зданий крупных теплоэнергетических объектов в криолитозоне (на примере Якутской ТЭЦ)»

Апробация работы

Основные положения диссертации были представлены автором на 7ми Международных (Сиань, Китай, 2009; Мирный, 2011; Тюмень, 2011; Салехард, 2012; Пущино, 2013; Харбин, Китай, 2014; Магадан, 2017) и 4х Российских (Якутск, 2010; Москва, 2011; Якутск, 2013; Москва, 2016) научно-практических конференциях и симпозиумах.

По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 5 - в журналах, входящих в Перечень ВАК, и 2 - в рецензируемом журналах.

Автор выражает признательность научному руководителю к.г.-м.н., с.н.с., С.И. Заболотнику и научному консультанту д.г.-м.н., проф., В. В. Шепелёву за помощь в выборе тематики исследований, постоянное внимание и содействие при

проведении исследований и подготовке диссертации. Автор благодарит также д.т.н. В.Н. Ефремова; д.г.-м.н. В.Б. Спектора; д.т.н., проф. Д.М. Шестернёва; к.г.-м.н. С.П. Готовцева и к.г.н. О.А. Поморцева за ценные советы и рекомендации.

Особая благодарность - сотрудникам Лаборатории общей геокриологии и Лаборатории инженерной геокриологии ИМЗ СО РАН, принимавшим непосредственное участие в круглогодичных наблюдениях на объекте, в том числе и в зимнее время в суровые 40-45-градусные морозы.

1. ПРИРОДНЫЕ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ ЯКУТСКОЙ ТЭЦ

1.1. Географическое положение

Город Якутск является административным центром Республики Саха (Якутия) и находится около 62° северной широты на левом берегу р. Лены, которая является крупнейшим водным объектом территории. Она протекает с юга-запада на северо-восток и имеет обширную (16-17 км) долину. Песчано-гравийное русло реки многорукавное, изобилует протоками с широкими протяжёнными косами и отмелями. Оно имеет ширину до 3,0 км. Глубина реки около Якутска достигает 16-20 м. Река в течение 200-210 дней в году покрыта льдом. Питание её преимущественно снегово-дождевое, при очень незначительной грунтовой составляющей. Характерными особенностями водного режима р. Лены в период весеннего половодья являются быстрые и высокие подъёмы уровней воды, мощный ледоход, а также образование значительных русловых заторов льда.

На расстоянии 20 км выше и 35 км ниже Якутска, к самому руслу подходят выступы коренного берега (Табагинский и Кангаласский мысы) и ширина долины сужается до 5-7 км.

Якутская ТЭЦ находится в северо-восточной части города в долине Туймаада, на левом берегу городской протоки, примыкающая к электроцентрали часть которой перекрыта дамбой и образует замкнутый водоём. Она расположена на первой надпойменной аллювиальной террасе, возвышающейся над уровнем меженных вод на 9-10 м (рис. 1.1.1.).

До возведения сооружений площадка электростанции с двух сторон была ограничена боковыми долинками, представляющими собой «курьи», впадающие в протоку. Эти курьи просуществовали до середины семидесятых годов, когда они были засыпаны (Над Леной ТЭЦ., 2007). Таким образом, площадка ЯЦЭС, на начало строительства, представляла собой как бы небольшой полуостров, шириной около 150 м (Мельников, 1951).

М

Рис. 1.1.1. Общий вид Якутской ТЭЦ. Фото автора, 5 сентября 2013 г.

1.2. Климатические условия

Исследуемая территория относится к области континентального и весьма холодного климата, обусловленного её положением в достаточно высоких широтах и значительной удалённостью от тёплых морей. Для него характерны значительные годовые колебания температуры воздуха и малое количество осадков. По классификации М.И. Будыко и А.А. Григорьева, основанной на данных о тепловом балансе деятельной поверхности (Борисов, 1975), эта территория находится в зоне климата с индексом III 3А. В зимнее время над Центральной Якутией господствует сибирский антициклон, что приводит к ясной сухой и морозной погоде. Летом под влиянием западного переноса воздушных масс сюда приходят циклоны с запада, северо-запада и юго-запада, реже из Монголии и Прибайкалья (Гаврилова, 1973; Gavrilova, 1993).

Метеостанция Якутск проводит наблюдения с 1830 года. Её данные позволяют судить о температуре воздуха и почвы, о количестве атмосферных осадков, о сроках образования и разрушения снежного покрова, а также о ветрах в этой области (Справочник..., 1966, 1967, 1968, 1969, 1975; Климат..., 1982; Научно., 1989).

За 171-летний период наблюдений средняя годовая температура воздуха в городе изменялась от -12,8°C (1837 г.) до -7,2°С (2008 г.). Самый холодный месяц - январь. Средние месячные температуры января изменялись от -51,4°С (1900 г.) до -32,0°С (1991 г.). Самый тёплый месяц - июль. Средние месячные температуры июля изменялись от 12,8°С (1832 г.) до 23,0°С (2001 г.). (http : //meteo.ru/climate/ temp. php). Продолжительность холодного периода около 200 дней, с октября по апрель. Амплитуда годовых колебаний температуры воздуха в Якутске достигает почти 60 градусов (рис. 1.2.1.).

25 Т0С 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45

.0_0i--0>s-0-0i--0-0-0-0 СРЦСРцгохцосРСРСРСР гогогоси^оо^юююю

c ■^«r'-fco^

Рис. 1.2.1. Годовой ход температуры воздуха в городе Якутске.

Минимальное количество осадков в Якутске (147,7 мм) наблюдалось в 2001 г., а максимальное (330 мм) - в 1979 г. (http: //meteo.ru/data/162-temperature-ргес1рйайоп#описание-массива-данных). Средняя многолетняя сумма годовых осадков составляет 237,1 мм. Большая часть их приходится на тёплый период года. За это время выпадает от 82 до 255 мм осадков, что составляет 48-79% от годового объёма (рис. 1.2.2.).

Рис. 1.2.2. Количество осадков (мм): за холодный период (октябрь - апрель), за тёплый (май - сентябрь) и за весь год по данным метеостанции Якутск.

В течение года осадки распределяются очень неравномерно, максимальное их количество обычно наблюдается в июле-августе, а минимальное - с декабря по март (рис. 1.2.3.).

Рис. 1.2.3. Месячное распределение количества осадков (мм) в Якутске

с 1966 по 2015 гг.

Снежный покров появляется в октябре, разрушается в апреле, окончательно сходит в мае (таб. 1.2.1). Число дней со снежным покровом составляет 205-215. В среднем, толщина снежного покрова нарастает с интенсивностью от 1 до 5 см за декаду и к концу зимы достигает 29 см. Абсолютный минимум (20 см) был зафиксирован в 2003 г., а абсолютный максимум (50 см) в 2005 г. (Скачков, 2011).

Плотность снега в середине зимы составляет 0,15-0,16 г/см3, увеличиваясь к апрелю до 0,20-0,25 г/см3 (Николаев, Скачков, 2011). Влагозапасы в снеге в конце марта - начале апреля составляют около 50 мм.

Таблица 1.2.1.

Динамика накопления снежного покрова на территории г. Якутска, по многолетним (1924-1980 гг.) данным [Научно-..., 1989]

дата появления снежного покрова дата образования устойчивого снежного покрова дата разрушения устойчивого снежного покрова дата схода снежного покрова

я средняя поздняя я средняя поздняя я средняя поздняя я средняя поздняя

я X X а р я X X а р я X X а р я X X а р

11.1Х 2.Х 24 X 27 IX 12 X 27 X 15 IV 24 IV 14 V 15 IV 3 V 20 V

Снежный покров является теплоизолирующим экраном, предохраняющим поверхность и верхние слои почвы от переохлаждения (Общее мерзлотоведение, 1978). От высоты снежного покрова и динамики его образования зависит и степень охлаждения грунтов слоя годовых теплооборотов (Павлов, 1979; Скачков, 2012). Холодные зимы в сочетании с их малоснежностью могут привести к промерзанию таликов или миграции криопэгов в разрезе засолённых грунтов (Анисимова, Павлова, 2002). В последние годы отмечается большая изменчивость характеристик снежного покрова. Однако многолетней тенденции к росту не наблюдается.

Средняя месячная относительная влажность воздуха в течение года изменяется от 40 до 80%. Зимой влажность воздуха изменяется от 50 до 80%, мало изменяясь в течение суток (рис. 1.2.4.). Суточные колебания влажности начинаются в конце первой декады марта. Летом, особенно в первой его половине, относительная влажность воздуха низкая. С увеличением прихода солнечной радиации она понижается от 30-40% до 10-15% в отдельные дни и сильно колеблется в течение суток. В ночное время наблюдается увеличение влажности с максимумом на рассвете (Галанин и др., 2013).

Коэффициент увлажнения (отношение годового количества осадков к годовой величине испаряемости) для данного района составляет 0,2-0,3.

07.01.13 0:00 07.01.13 12:00 08.01.13 0:00 08.01.13 12:00 09.01.13 0:00 09.01.13 12:00 10.01.13 80

70 60 50 40 30

%

я = А

-к -к

0:00 1,5

1

0,5

0

-0,5

Вт/м2

07.02.13 0:00 07.02.13 12:00 08.02.13 0:00 08.02.13 12:00 09.02.13 0:00 09.02.13 12:00 10.02.13 0:00

1,5

80 70 60 50 40

л ■ д

■РЧЯ* ""»ч —А-, д......

■ ^ТТ *...................ЯЯ" И^Т" ..............

1 \ 1

% \

1

0,5

-0,5 Вт/м2

07.03.13 0:00 07.03.13 12:00 08.03.13 0:00 08.03.13 12:00 09.03.13 0:00 09.03.13 12:00 10.03.13 0:00

4

80 70 60 50 40

30 %

3,5 2,5

0,5

-0,5 Вт/м2

22.03.13 0:00 80 70 60 50 40

22.03.13 12:00

23.03.13 0:00

23.03.13 12:00

24.03.13 0:00 4

3,5 2,5

0,5 Солнечная 0 радиация, 0 5 Вт/м2

Рис. 1.2.4. Суточный ход изменения влажности воздуха и приход солнечной радиации на стационаре Вилюйский тракт. (НМ1 - значения относительной влажности воздуха в % на высоте 77 м; НМ2 - значения относительной влажности воздуха в % на высоте 11 м; БЯ - солнечная радиация, Вт/м2).

Преобладание испарения над осадками в Центральной Якутии обеспечивает насыщение поровых растворов в грунтах сезонноталого слоя различными минералами и осаждением солей в верхних горизонтах. Особенно ярко этот процесс испарительного концентрирования солей в грунтах и поверхностных водах в течение летнего периода проявляется в непроточных понижениях (Справочник., 1968).

Средняя годовая скорость ветра составляет 1,7 м/с. Наибольшие скорости ветра наблюдаются в конце мая начале июня, наименьшие - в декабре-январе (Справочник.. .,1967).

За период проведения мониторинга на ЯТЭЦ, с 1930 по 2018 год максимальные колебания средней годовой температуры воздуха в Якутске достигали 5,2°С (от -12,1°С в 1952 г. до -6,9°С в 2015 г.).

Такие климатические условия обуславливают длительный отопительный сезон, который продолжается с середины сентября по начало мая (256 дней) (СНиП 23-01-99 "Строительная климатология и геофизика". См. Таблица 1). По показателю градусо-сутки отопительного периода, используемого для расчёта потребности тепловой энергии на отопление и вентиляцию, Якутск обходит многие северные города. Например, количество градусо-суток отопительного периода в Москве составляет 4 943, в Магадане - 7 888, в Воркуте - 8 905, в Анадыре - 9 486, в Якутске - 10 394 (http://teplo-info.com/snip/otopitelniy_period).

1.3. Инженерно-геологические условия

Исследуемый район относится к Центральноякутской равнине. Она образовалась на территории Вилюйской синеклизы Сибирской платформы. Основные речные террасированные долины созданы в неогене и плейстоцене. «Начиная со среднего, а возможно, и с раннего плейстоцена, горные породы в Центральной Якутии были глубоко проморожены» (Геокриология., 1989, с. 250).

Стратиграфия этой зоны подробно освещается коллективом авторов (Гриненко и др., 1995; Гриненко, Князев, 2008). По их данным, породы архея в районе Якутска залегают на глубине около 600 м и представлены метаморфизованными породами (амфиболитами, слюдисто-гранатовыми кварцитами). Архейский возраст пород определён условно, по сопоставлению с кристаллическими образованиями Алданского щита.

Палеозой представлен осадочными породами кембрийского возраста. Это карбонатные отложения - известняки, доломиты, мергели. На размытой

поверхности древних карбонатных пород несогласно залегают терригенные отложения юрского возраста (Геология, 1970).

Юрские (12) отложения на территории Якутской ТЭЦ представлены серыми трещиноватыми мелко- и среднезернистыми песчаниками и слабо сцементированными алевритами темно-серого цвета с синевато-зеленоватым оттенком. Алевриты представляют собой слаболитофицированные суглинки полутвердой консистенции. Так как лохаинские слои не удаётся отделить от якутской свиты, Ю.Л. Сластёновым предложено их выделять как октаханскую свиту с мощностью около 250 м (Гриненко и др., 1995). Кровля юрских пород на исследуемом участке залегает на глубине 19-25 м.

Верхняя часть разреза представлена четвертичными аллювиальными и техногенными образованиями. Комплекс аллювиальных отложений залегает на размытой поверхности юрских пород (Спектор и др., 2016).

Несколькими скважинами в основании террасы вскрыты отложения верхнего дриаса, представленные гравийными грунтами с песчаным и супесчаным заполнителем. Они перекрыты отложениями атлантического периода. Это средне- и мелкозернистые пески с линзами супесей. Возраст отложений взят из сопоставления с опорными скважинами, имеющими точные датировки (Спектор и др., 2008).

На момент строительства площадка ЯТЭЦ была сложена с поверхности до глубины 2,0-3,5 м пылеватыми суглинками, характеризующимися содержанием пылеватых частиц до 60%. Они подстилались жёлто-бурыми слоистыми супесями с прослойками пылевато-илистых суглинков и ила. На глубине 3-4 м супеси переходили в мелкозернистые слюдистые пески серого цвета. Пески также имели ярко выраженную слоистость, но прослойки в них встречались несравненно реже, чем в супесях (Мельников, 1951).

В настоящее время, площадка вокруг главного корпуса ЯТЭЦ и ряда других служебных помещений частично асфальтирована и до глубины 1,0-17,5 м представлена насыпным грунтом из разнозернистых песков, реже супесей с примесью щебня, гальки и шлака. Ниже повсеместно залегают аллювиальные

отложения, представленные мелкозернистыми песками, переслаивающимися со средне- и крупнозернистыми. В верхней части разреза (до 11 -15 м) встречаются отдельные горизонты супесей, линзы и прослои суглинков, супесей и тонкозернистых песков, а также включения растительного детрита. Начиная с глубины 12-15 м, мелкозернистые пески переходят в среднезернистые разности, изредка с прослоями гравелистых песков и галечника.

В верхней части разрезов (до 2,0-7,6 м) встречаются отдельные горизонты супесей, линзы и прослои суглинков, мощностью от 0,2 до 3,2 м, а также включения растительного детрита. Нижние горизонты представлены, в основном, песками мелкими, переслаивающимися с песками средней крупности. Местами попадаются линзы супеси, мощностью от нескольких до 20-80 сантиметров. Криогенная текстура грунтов преимущественно массивная, редко (в супесчано-суглинистых грунтах) - тонкая линзовидная. Льдистость многолетнемёрзлых грунтов, представленных серыми мелкозернистыми песками, колеблется в пределах 15-25%, что соответствует или приближается к величинам их полной влагоёмкости. Для суглинков весовая влажность определяется в пределах 35-40%.

Город Якутск, в пределах которого находится ЯТЭЦ, относится к области сплошного распространения многолетнемёрзлых пород (ММП), мощность которых в регионе изменяется от 100 до 300 м, а средняя годовая температура их на глубине 20 м - от -2 до -4°С (Балобаев, 1991). Непосредственно на площади застройки до возведения сооружений мощность вечномёрзлой толщи по данным Н.И. Салтыкова достигала 180-200 м, а средние годовые температуры грунтов на глубине 15 м изменялись от -3 до -5°С. Через десять лет после заложения фундаментов по наблюдениям П.И. Мельникова температура грунтов на глубине 5 м изменялась от -3,2 до -3,6°С, а мощность сезоннопротаивающего слоя уменьшилась на 0,8 м и не превышала 1 м (Цытович и др., 1947).

За исключением участков локальных таликов, которые занимают не более 20% территории, отложения на территории ЯТЭЦ находятся в многолетнемёрзлом состоянии. Мощность слоя сезонного промерзания в зависимости от степени растепления участков изменяется от 2 до 4 м, а глубина

сезонного протаивания грунтов - от 1,5 до 4,5 м. (Заболотник С.И., Заболотник П.С.,2009; 2010; 2011а; Заболотник и др., 2013).

Инженерно-геологические условия территории ЯТЭЦ изучены достаточно хорошо. До 2013 г. было пробурено 54 скважины, с описанием разрезов по 45 скважинам и определением физико-механических свойств грунтов (Материалы ...,1971; Технический отчёт...,1976; Инженерно-строительные ..., 1976; Отчет ..., 1982; Заболотник, Новиков, 1986; Разработка мероприятий ., 2006; Заболотник и др. ..., 2013; Заболотник и др. .,2014)

Для пространственной характеристики залегания техногенных образований автором построены несколько геологических разрезов по скважинам, пройдённым в разные годы на территории ЯТЭЦ (рис. 1.3.1. -1.3.5.).

Рис. 1.3.1. Схема расположения скважин и профилей на территории ЯТЭЦ.

На вновь исследованных участках техногенные грунты представлены насыпным слоем с песчано-глинистым заполнителем, с примесью щебня, гальки, гравия, шлака и строительного мусора (кирпичи, арматура, обломки досок и др.). Максимальные мощности техногенной отсыпки наблюдаются около

ГРИ-2

циркуляционной насосной станции (рис. 1.3.2). Здесь грунты были заменены на глубину не менее 13 м.

Рис. 1.3.2. Геологический разрез по линии 1-1.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

Под насыпным слоем повсеместно залегают аллювиальные отложения, сложенные главным образом песками и супесями, часто содержащими включения растительного детрита. В верхней части разрезов (до 2,0 - 7,6 м) встречаются отдельные горизонты, линзы, прослои супесей и суглинков, мощностью от 0,2 до 3,2 м. Нижние горизонты представлены, в основном, песками мелкими переслаивающимися с песками средней крупности. Местами попадаются линзы супеси, мощностью от нескольких до 20-80 сантиметров (рис. 1.3.3. -1.3.5.).

Рис. 1.3.3. Геологический разрез по линии II-II.

По результатам анализов образцов грунтов, отобранных при бурении скважин в 2012 г. минимальное значение плотности мёрзлых грунтов составляло 1,53 г/см3, а максимальное достигало до 2,08 г/см3 (Заболотник и др., 2013).

Плотность мёрзлых грунтов, отобранных в 2013 г., принимает несколько иные значения: от 1,08 до 2,31 г/см3. Плотность скелета грунта изменяется от 0,36 г/см3 для сильно льдистых грунтов до 2,11 г/см3 для песков средней крупности (Заболотник С.И., Заболотник П.С.,2014; 2016б; 2018).

Рис. 1.3.4. Геологический разрез по линии III-III.

Рис. 1.3.5. Геологический разрез по линии IV-IV.

Глубина сезонного протаивания грунтов во время бурения скважин в мае -июне 2013 г. изменялась от 0,35 до 2,9 м. Глубина сезонного промерзания была определена в талике вблизи берегового уступа при проходке скважины № 56. В течение зимы 2012-2013 гг. в этом месте грунты промёрзли до глубины 4,4 м. Влажность грунтов варьировала в широких пределах. В талых грунтах она изменялась от 3 до 35%, а в мёрзлых - от 5 до 88%. Влажность более 40%, как правило, была установлена в пробах, содержащих включения органики (табл. 1.3.1.).

Наибольшая увлажнённость, достигающая 40-60%, приурочена к границе талых и мёрзлых грунтов. Ледяные включения, ниже слоя сезонного протаивания, встречаются весьма редко и в виде тонких прослойков и отдельных кристалликов.

Криогенная текстура грунтов преимущественно массивная, редко (в супесчано-суглинистых грунтах) - тонкая линзовидная (см. Приложение, скв. № 62).

Таблица 1.3.1.

Изменения глубин сезонноталого и сезонномёрзлого слоёв, влажности грунтов и границы таликов в мае-июне 2013 г.

№ п/ п № скв Дата измерения Глубина сезонноталого (СТС) и сезонномёрзлого слоя (СМС), м Границы Влажность грунтов Примечание

СТС СМС ММП Таликов Талых Мёрзлых

1 55 20 мая 1,0 - 1,0 >15,2 - 14,6-15,1 8,3 - 40,7 ММП

2 56 15 мая 0,55 4,4 - 4,4 >18,0 3,3 - 25,3 5,8 - 44,2 Талик

3 57 21 мая 0,5 - 0,5 >11,0 - 10,7 11,4 - 33,4 ММП

4 58 4 июня 2,9 - 2,9 >10,5 - 3,7 - 9,3 16,1- 35,1 ММП

5 59 21 мая 1,5 - 1,5 >17,5 - 5,2 - 11,9 5,3 - 45,1 ММП

6 60 27 мая 0,35 - 0,35>15,2 - - 9,9 - 87,7 ММП

7 61 23 мая 0,5 - 0,5 - 11,0 11,0>21, 0 9,7 - 27,2 4,5 - 34,9 Талик с 11м

8 62 27 мая 1,5 - 1,5 >11,5 - - 15,8 - 45,6 ММП

9 63 27 мая 0,5 - 0,5 >120 - - 19,0 - 57,4 ММП

10 64 30 мая 0,35 - 1,7 >10,5 1,0 - 1,7 25,8 - 34,5 23,1 - 32,9 Утечки

1.4. Гидрогеологические условия

Город Якутск расположен в Лено-Вилюйском артезианском бассейне II порядка; который является частью Якутского артезианского бассейна I порядка Восточно-Сибирской артезианской области (Гидрогеология., 1970; Карта., 1984). На этой территории распространены воды сезоннопротаивающего слоя (СТС), несквозных таликов (надмерзлотные), а также внутримерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные и воды сквозных таликов (Толстихин, 1941; Романовский, 1983; Шепелёв, 2011).

Подмерзлотные воды вскрыты бурением водоносных комплексов архея, протерозоя, кембрия и юры. Глубина залегания подмерзлотных вод в районе Якутска составляет 270-410 м (Подземные., 2003; Шепелев, Макагонова, 2010).

В пределах изучаемой территории, в четвертичных отложениях и в верхней части подстилающих их коренных пород, существуют надмерзлотные и межмерзлотные техногенные талики. Через них осуществляется питание и движение подземных вод.

Формирование вод сезоннопротаивающего слоя начинается в начале мая, а положение уровня определяется мощностью этого слоя, а также интенсивностью и длительностью выпадающих атмосферных осадков. Осенью с понижением температуры воздуха, они быстро перемерзают или стекают к водоёму.

Химический состав вод СТС определяется не только составом атмосферных осадков, характером почв, литологическим составом водовмещающих пород, но и степенью техногенного загрязнения (Санникова, 2005; Шепёлев, 2011).

Основной источник питания вод СТС в естественных условиях -атмосферные осадки. Под зданиями ЯТЭЦ они получают дополнительное питание за счёт утечек воды из коммуникаций и таяния техногенных наледей, образованных в подпольном пространстве, которые аккумулируют местами больше воды, чем сумма зимних атмосферных осадков (Курчатова, 1996 а, б).

Даже на момент развёртывания строительства на площадке в 1933 году, образующий её мёрзлый массив уже не был монолитен. В то время её окружали

две курьи: Лесозавода и Кожзавода (рис. 1.4.1.), которые просуществовали до середины семидесятых годов (Над Леной., 2007).

Рис. 1.4.1. Генплан территории Якутской ЦЭС в 1949 г. (Над Леной., 2007).

Близкое расположение водоёмов (городская протока и две курьи с запада и востока) наложили отпечаток на температурный режим грунтов. Их влияние распространялось до 50 м вглубь территории. До 1939 г. западная курья заполнялась водой только весной при подъёме воды в реке Лене. Когда в 1939 г. в устье курьи была отсыпана плотина, в ней образовался водоём длиной около 300 м, шириной около 50 м и глубиной до 1,5 м (Цытович и др., 1947).

После того как обе курьи были засыпаны, началось промерзание сверху насыпных грунтов. Развитые здесь под старицами талики с надмерзлотными водами оказались под толщей насыпного грунта. В результате эти воды стали межмерзлотными, так как сверху и снизу они теперь ограничиваются мёрзлыми породами. Подобные процессы наблюдались также при строительстве в городе на месте так называемого «Зеленого луга» жилого квартала № 202 (Цеева, Игнатова, 1996). Такие талики питаются за счёт вод реки Лены, поступающих при её высоких уровнях (Шепелев и др., 2005; Павлова и др., 2016). В период паводка гидростатическое давление приводит к фильтрации воды р. Лены в береговой

массив и вызывает подъем уровня грунтовых вод (Роман и др., 2008; Shestemev et а1, 2014).

Опасность развития суффозионных процессов на территории ЯТЭЦ отсутствует. Для развития термосуффозионного процесса необходимы следующие условия: 1) наличие области выноса; 2) высокий градиент напора подземных вод (или скорость фильтрационного потока); 3) неоднородность гранулометрического состава (Гагарин, 2013). Суффозионность зависит от гранулометрического и минерального состава грунта, его структуры и градиента напора воды в порах. (Тер-Мартиросян, 2008). Вынос начинается лишь с определённых значений напора воды, ниже которых происходит только фильтрация.

Основным источником воды для возможного развития суффозионного процесса на территории ЯТЭЦ являются утечки из коммуникаций. Количество атмосферных осадков не велико (около 300 мм/год), и не смотря на то что большая их часть приходится на тёплую часть года, инфильтрация в глубокие горизонты незначительна, из за испарения и небольшой мощности оттаявшего слоя.

Суффозионность грунта определяется его мелкозернистой частью, заполняющей поры между более крупными частицами. Важны размеры фильтрационных пор. Изменение суммарного содержания крупной фракции грунта практически не влияет на суффозионность, однако при увеличении пылеватой части в общем объёме суффозионность возрастает (Анисимов, 2009).

Засыпка депрессий рельефа и планировка поверхности производилась теми же аллювиальными песками, которые слагают первую речную террасу. Анализ гранулометрического состава грунтов (рис. 1.4.2.) показал, что это хорошо промытые мелкие пески с коэффициентом неоднородности изменяющимся от 1,4 до 3,0. Пески с коэффициентом неоднородности меньшим 3,0 - считаются однородными (Истомина, 1957). Средние значения коэффициента неоднородности составляют 1,8. В настоящее время мощность промёрзшей зоны над пересыпанными курьями составляет около 10-12 метров.

Рис. 1.4.2. Кривые гранулометрического состава в скв. 64.

Находившийся рядом с территорией ЯЦЭС кожевенный завод (с 1930 по 1960 год) на протяжении многих лет сбрасывал промышленные воды в протоку по галерее, проложенной по территории электростанции. Галерея имела трапецеидальное сечение, глубиной около 1,8 м и была укреплена сплошными деревянными рамами. Просачиваясь из неё, минерализованные воды нашли пути стока среди мёрзлых песков. Также большое количество воды, поступало непосредственно в грунты основания кожевенного завода через половое перекрытие. Под его зданием существовала глубокая чаша протаивания. Отработанные воды завода были сильно минерализованы (минерализация обусловлена, главным образом наличием хлористых солей), и благодаря этому выработали весьма сложные пути для своего движения. Общий поток этих вод наблюдался в направлении от кожевенного завода к юго-западной курье и к городской протоке (рис. 1.4.3.). Эти отработанные воды сброса кожевенного комбината, загрязнённые Са, Mg, С1 и SО4, не замерзали до минус 6-8°С (Мельников, 1950).

Рис. 1.4.3. Схема движения высокоминерализованных подземных вод из галереи кожзавода в 1940 году (по Мельникову, 1951).

В 1939 году из 30 буровых скважин, расположенных на территории ЯЦЭС, вода была обнаружена в пяти, а в 1940 году уже в пятнадцати, преимущественно на глубинах 8-10 м (Цытович и др., 1947). В некоторых скважинах вода появлялась не при проходке, а спустя несколько месяцев (Мельников, 1951). Часть подземных вод замерзала нормально при температуре около 0°С, а часть оставалась в жидком виде до -2,4°С (Салтыков, 1940а).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Заболотник Павел Станиславович, 2018 год

/ / / //

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Щебень

Суглинок Супесь

Песок пылеватый

Песок мелкий

Песок средней крупности

д д V* д

о о о

о о

Г

У

Гравий Галька

Органика, растительный детрит

Граница сезонного протаивания

Грунт насыпной, крупнообломочный, песчаный и глинистый с отходами производства (шлак) и строительным мусором (кирпичи, арматура, и др.)