Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Оценка эффективности управления инженерно-
геологическими процессами по результатам
ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОГО прогноза на примере бам
В настоящее время по результатам многочисленных наблюдений, выполненных сотрудниками различных научных и производственных организаций, установлено, что устойчивость сооружений в криолитозоне зависит от геокриологических процессов, которые возникают или активизируются под влиянием строительных работ и собственно сооружений. В связи с этим существует проблема оценки эффективности упреждающих мероприятий, проводимых с целью превращения или ограничения негативного воздействия этих процессов на грунты основания.
Накопленный материал (результаты многолетних наблюдений на линейных сооружениях в криолитозоне) свидетельствует, что решение проблемы возможно только на основе прогнозирования влияния конкретных мероприятий на конкретную инженерно-геологическую обстановку. При этом, если во время эксплуатации сооружений произошли опасные изменения условий их работы, то эффективность одних и тех же управляющих мероприятий (ограничивающих развитие процесса) может существенно различаться, и зависит она от того, как далеко зашел процесс негативного изменения обстановки. Эффективность мероприятий (учитывая их стоимость) тем выше, чем раньше ограничивается возможность опасного проявления процесса. Поэтому очень важно своевременно составить не только «пассивный» прогноз возможных изменений инженерно-геокриологических условий после строительства, но и «активный» прогноз эффективности упреждающих мероприятий. Поясним это положение на примере центрального участка Байкало-Амурской железной дороги на двух отрезках пути: в долине р. Тутаул (участок 1) и на междуречье рек Левой Кохани и Баралуса (участок 2).
На участке 1 земляное полотно железной дороги, представляющее собой насыпь высотой 6,0 м, пересекает левобережную часть первой надпойменной террасы р. Тутаул, поверхность которой сильно заболочена. В растительном покрове в ненарушенных условиях преобладают кустарничково-сфагновые ассоциации. На подтопленных (в результате строительства) участках развиваются вторичные топяные травяные.
Грунтовая толща представлена аллювиальными отложениями пойменной (супеси, мелкие и среднезернистые пески, мощность 1-1,5 м), русловой (галечники, мощность 1,7-3,0 м) фаций. Сверху они перекрыты слоем торфа мощностью 1,2-3,5 м, а с глубины 6,0-6,8 м подстилаются корой выветрелых гранитоидов. Для мерзлых грунтов в верхней части разреза (торф, супеси, реже пески) характерны плойчатая и косо-линзовидно-слоистая криотекстуры с льдистостью от 0,3 до 0,7-0,9 (в торфе) и относительной осадкой при оттаивании более 0,3.
Многолетнемерзлые грунты на участке 1 распространены повсеместно. Мощность многолетнемерзлой толщи пород по данным геотемпературным и вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) составляет 30-40 м. Среднегодовая температура пород на глубине нулевых годовых колебаний температуры варьирует в пределах —(1,5÷2,2°) на участках с ненарушенными ландшафтными условиями. В грунтах сезонного слоя с мощностями 0,4-1,0 м в торфе и 2-4,5 м в минеральных грунтах постоянно и повсеместно присутствуют надмерзлотные воды.
После сооружения насыпи произошло подтопление территории образовался сквозной талик, по которому началась разгрузка подмерзлотных вод При обследовании участка в 1989— гг. наблюдались перекосные просадки земляного полотна и бермы в результате многолетнего оттаивания льдистых грунтов основания со стороны подтопленной полосы отчуждения земель на трассе. Поэтому возникла задача оценить динамику оттаивания пород в будущем и рекомендовать мероприятия, предохраняющие насыпь от опасных просадок грунтов основании.
На участке 2 дорога проходит по денудационной равнине. Для нее характерны сухие залесенные поверхности водоразделов с пологими склонами, на которых встречаются заболоченные земли (мощности 0,1-0,3 м) и переходные болота с глубиной 1-2 м и мощностью торфа до 1 м (редко до 2 м).
Грунтовая толща представлена преимущественно корой выветрили снльнометаморфизованных осадочных пород позднего архея (дресва с супесчаным заполнителем) мощностью 8-10 м, залегающей на глубине 4-10 м. Перекрывающие ее техногенные, биогенные, делювиальные, делювиально-солифлюкционные и аллювиально-делювиальные образования (исключая биогенные) представлены супесями, реже песками и суглинками весьма неоднородными в разрезе, содержащими включения гравия и торфа. В мерзлых породах преобладают слоистые тонко- и среднешлировые, порфировидные криогенные текстуры, отмечены прослои льда мощностью до 0,2-0,3 м. Относительные осадки отбивающих грунтов в среднем составляют 0,2-0,4.
Многолетнемерзлые породы распространены повсеместно. Их среднегодовая температура изменяется от 0 до -1,7°, а мощность —от нескольких метров на трассе дороги до 40-60 м на склонах и в днище р. Бардагон. Талики имеют техногенное происхождение. Глубина сезонного оттаивания мерзлых толщ в естественных условиях варьирует от 0,4-0,8 м на заболоченных землях до 1,2-2,0 м на болотах и от 2-3,5 до 5,5 м на дренированных участках водоразделов и приводораздельных частях склонов.
Рассматриваемый участок железной дороги проходит по насыпи высотой 4-5 м. В настоящее время деформации пути представлены малоамплитудными (0,2-0,3 м) пучинами и просадками поверхности. На полотне наблюдается также выплескивание тиксотропного тонкодисперсного грунта на рельсошпальную решетку. В полосе отвода формируются эрозионные промоины и термокарстовые просадки, проводит техногенное заболачивание. Изменение поверхностных условий довело здесь к оттаиванию многолетнемерзлых льдистых пород и образованию талика в непосредственной близости от насыпи, что угрожает ее устойчивости уже в ближайшем будущем. В связи с указанной опасностью необходимо определить динамику талика в новых условиях трассы, а также оценить эффективность мероприятий, ограничивающих развития талика.
Таким образом, результаты обследования показали, что на обоих участках необходимы мероприятия, предупреждающие развитие опасных деформаций земляного полотна. Для их выбора и оценки промоделирование динамики теплового состояния грунтов земно полотна основания в ближайшее десятилетие при наблюдаемых сейчас условиях, а также при осуществлении ряда мероприятий. Перечень задачи приведена в табл. 1.
Для выполнения теплофизических расчетов использована программа «Тепло», разработанная Л. Н. Хрусталевым, Г. П. Пустовойтом, В. Яковлевым и Н. В. Емельяновым для расчета теплового взаимодействия инженерных сооружений с вечномерзлыми грунтами. Программа реализует численное решение двухмерной многофронтовой задачи Стефана в неоднородной среде на персональной ЭВМ.
Область решения определялась поперечными инженерно-геологическими разрезами земляного полотна и грунтов основания на каждом. Ширину полосы отвода, включаемой в область решения, придали равной 30-45 м в каждую сторону от насыпи. Нижняя граница задавалась на глубине 60 м. Схема разбивки исследуемой и блоки с учетом конструктивных особенностей насыпи и геологического разреза на каждом участке.
На верхней границе для каждого элемента области (полосы отвода, бермы, откосов насыпи, полотна дороги) задавалось краевое условие III рода. Были рассчитаны среднемесячные значения температуры внешней среды (дневной поверхности) с учетом поправок к температуре воздуха за счет солнечной радиации, испарения и жидких атмосферных осадков. Значения термического сопротивления поверхности грунтов определялись в зависимости от растительного покрова, высоты и плотности снега. Данные по метеостанции пос. Унаха осреднялись для отрезка времени с 1981 по 1991 г. Кроме того, определены значения метеоданных для двух-трех самых теплых летних периодов, наблюденных за все время существования метеостанции, а для поверхности дна техногенного озера получена температура внешней среды по методике В. А. Кудрявцева [3].
Таблица 1
Перечень задач для прогноза теплового состояния земляного полотна и грунтов
основания
|
Номер задачи |
Участок |
||
|
1 |
2 |
||
|
1 |
Одномерный расчет среднегодовой температуры пород в ненарушенных условиях для проверки принимаемых расчетных характеристик |
||
|
2 |
2 |
Расчет теплового состояния земполотна на момент обследования |
|
|
3 |
Прогноз динамики теплового состояния земполотна и грунтов основания до 2001 г. |
||
|
4 |
Расчет теплового состояния земполотна при проведении снегоочистки |
||
|
5 |
Расчет теплового состояния земполотна при укладке пенопласта и засыпке озера торфяно-суглинистым грунтом |
Расчет теплового состояния насыпи при укладке торфа на берму и про- тивофильтрационной пленки на полотно дороги |
|
|
3 |
6 |
Расчет теплового состояния насыпи в теплые годы |
На нижней границе области исследования приняли краевое условие I рода: постоянная температура на глубине 60 м, равная +0,2°С. На боковых границах во всех случаях задавалось условие II рода:
Теплофизические свойства пород приняты в соответствии с геологическим разрезом, результатами лабораторных определений состава, плотности, влажности грунтов, рекомендациями СНиП II-18-76 и с учетом литературных данных по теплофизическим свойствам.
Для того чтобы учесть влияние конвективного теплопереноса фильтрующими грунтовыми (или поверхностными) водами в теле насыпанной крупнообломочными грунтами, мы рассчитали коэффициент теплопроводности талого грунта по формуле В. Г. Гольдмана. Каждому участку расчеты проводились в четыре этапа. На первый рассчитывалось распределение температур по глубине в естественных условиях на разных типах ландшафта, пересекаемых трассой на поперечниках, т. е. воспроизводилось температурное поле в грунтах основания земляного полотна до начала строительства. На втором этапе воспроизводилось формирование температурного режима грунтов во всей области исследования в интервале времени от окончания строительства участка дороги (15 октября 1981 г.) до года проведения инженерно-геокриологического обследования земляного полотна (15 октября 1991 г.). Результаты, полученные на втором этапе,, принимались в качестве начальных условий при прогнозировании динамики теплового состояния грунтов в последующие 10 лет (условно к концу 2001 г.) на третьем этапе расчетов, а также при моделировании влияния инженерных мероприятий и климатических изменений на геокриологические процессы на заключительном четвертом этапе. При проведении прогнозных расчетов верхние граничные условия принимались такие же, как и на предыдущем этапе, —среднемесячные значения характеристик за 10-летний отрезок времени. Рассмотрим полученные результаты по участкам.
Участок 1. Основными задачами были (табл. 2): (прогноз динамики таликов, возникших под насыпью и в полосе отвода, и оценка эффективности засыпки техногенного озера торфяно-глинистым грунтом и укладки пенопласта на берму насыпи со стороны озера с целью предотвращения увеличения талика. Как указано выше, с помощью первой задачи воспроизводилось распределение температуры пород по глубине на 15 октября 1981 г., соответствующее полученным в это же время температурным измерениям в скважине до начала строительства. Затем (задача 2) моделировали температурное поле, глубину многолетнего оттаивания и сезонного промерзания грунтов на всех элементах насыпи и в полосе отвода, включая образовавшееся на момент обследования озеро. Полученные данные соответствуют наблюдаемым в натуре, что подтверждает правильность постановки задачи и принятых расчетных характеристик. Так же как и при полевом обследовании летом 1991 г., под озером и под насыпью с его стороны зафиксированы две линзы талых пород, не промерзающие в зимнее время. По данным моделирования под насыпью высотой 6,2 м за 10-летний период эксплуатации дороги в теле и в основании насыпи сформировалась таликовая линза мощностью 3,6 м (в центральной части), из которой 0,8 м приходится на грунты основания. Под техногенным озером глубиной 2 м (в центре) образовалась таликовая чаша глубиной до 6,7 м. Глубина сезонного промерзания насыпных грунтов составляет 4,5- 5,2 м.
Прогноз динамики таликов к 2001 г. (задача 3) показывает, что под насыпью будет продолжаться многолетнее оттаивание мерзлой толщи, ее кровля постепенно опустится на 1-1,5 м. Под озером талик углубится на 4 м и расширится в сторону насыпи на 5 м.
Применение в качестве стабилизирующих мероприятий торфяно-суглинистой засыпки озера с одновременной укладкой пенопласта толщиной 0,2 м на берме (в полосе шириной 5,8 м) по данным моделирования приведет к следующим результатам. Под озером в течение 10 лет после засыпки продолжится медленное (на 0,6 м) углубление талика (против 4 м без засыпки), т. е. произойдет сдерживание процесса оттаивания грунтов, но полной стабилизации чаши оттаивания грунтов не будет. Укладка пенопласта будет также недостаточно эффективной, так как не приведет к образованию надежного мерзлого «барьера» (перемычки) между подозерным таликом и таликовой линзой в основании насыпи. Кровля многолетнемерзлых пород под пенопластом поднимется незначительно (на 0,2 м), и в течение всех и расчетных лет на берме сохранится талик мощностью 0,8 м. Это свидетельствует о возможности фильтрации грунтовых вод под насыпью, что будет способствовать оттаиванию льдистых пород. Следовательно, даже при проведении указанных мероприятий просадка земполотна в будущем неизбежна.
Участок 2. Как и в предыдущем случае, первые две задачи (табл. 2) решались для воспроизведения естественного температурного режима многолетнемерзлых пород на участке (до начала строительства) и теплового состояния грунтов земляного полотна и основания на момент обследования трассы железной дороги. Результаты дали хорошую сходимость с данными натурных наблюдений. За десятилетний срок эксплуатации дороги (1981—) в насыпи высотой 4 м и под ней сформировалась таликовая линза, мощность которой в центре достигает 7 м. Кровля многолетнемерзлых пород имеет корытообразную конфигурацию. Линза асимметрична: слева под бермой глубина оттаивания пород составляет 4,5 м, справа - 1,7 м. При таком неравномерном оттаивании пород (обусловленном неоднородностью их состава и различной льдистостью) создались благоприятные условия для перетока поверхностных вод через тело насыпи и ее основание слева направо даже при том, что превышение левой бермы над правой составляет 1,7 м. Поэтому в период сезонного промерзания грунтов возникает напор грунтовых вод под правым откосом насыпи и на берме, что приводит к образованию инъекционных бугров пучения.
Прогноз изменения теплового состояния грунтов основания через десять лет —к 2001 г. —(задача 3) при сохранении существующих условий показал, что под центром насыпи кровля многолетнемерзлых пород опустится еще на 3 м, в основании левого откоса —на 1 м, правого —на 0,8 м. Эти изменения усилят пучиноопасность на участке.
Обеспечить здесь устойчивость земляного полотна можно путем создания условий для ликвидации (промерзания) таликовой линзы. С этой целью можно применить снегоочистку земляного полотна, покрытие бермы слоем торфа и укладку противофильтрационной пленки на полотно дороги. Моделирование этих мероприятий дало следующие результаты. При снегоочистке в течение 10 лет произойдет полное промерзание талика. Глубина сезонного оттаивания грунтов насыпи в этом случае будет составлять 4,0-4,5 м, т. е. грунты насыпи будут ежегодно оттаивать полностью, а грунты основания —на глубину до 0,5 м. Следовательно, можно полагать, что данное мероприятие будет вполне эффективно в борьбе с пучинами.
Обеспечить устойчивость земполотна, очевидно, можно, прекратив переток поверхностных вод через насыпь, путем создания «мерзлотного барьера» слева под бермой (шириной 5 м). Для этого можно использовать засыпку бермы слоем слабовлажного торфа мощностью 1,0 м. При оценке эффективности торфяного покрытия в задачу вводилось также пленочное покрытие полотна дороги. Результаты решения задачи показаны на рис. 4, из чего следует, что через 5 лет под бермой талик мощностью 2 м полностью промерзнет, глубина сезонного оттаивания грунта под отсылкой не превысит 0,5 м (уже через полтора года существования отсыпки глубина оттаивания сократится до 1,2 м). Таким образом, с помощью торфяной отсыпки решается задача создания «мерзлотного барьера» на пути фильтрации поверхностного стока.
Укладка пленки в качестве теплового регулятора недостаточно эффективна. Как видно, снятие отепляющего влияния инфильтрации. Атмосферных осадков слабо сказывается на темпе многолетнего оттаивания пород в оснований насыпи. Так, за 5 лет кровля многолетнемерзлых пород н центре опустится на 1,5 м, а за 10 лет при отсутствии пленки она понизится на 3 м.
Учитываю опасность формирования водонасыщенных таликов на трассе дороги (из-за интенсивного пучения грунтов в зимнее время), было целесообразно оценить влияние потепления климата на тепловое состояние грунтов (задача 6). Оценив два-три кратковременных; летних потепления, которые по метеоданным часто наблюдаются в регионе. Результаты решении задачи показали, что за три теплых года кровли многолетнемерзлых пород понизится в центре земляного полотна на 1,5 м (считая от ее положения, зафиксированного в 1991 г.), в основании левого откоса —на 1,0 м и на 0,5 м в основании правого. В полосе отвода и на участках с ненарушенными условиями глубина сезонного оттаивания пород в теплые годы увеличится на 0,5 м. Очевидно, что и изменения могут привести к более интенсивному проявлению наблюдаемых здесь эрозионных, суффозионных и просадочных процессов.
Таким образом, сравнивая результаты моделирования мероприятия. направленных на ликвидацию таликов в основании насыпи и в полосе отвода, являющихся причиной развития опасных деформаций на дороге, можно прийти к следующим выводам. На участке 1 в течение десяти лет бесконтрольно произошли настолько существенные изменении инженерно-геокриологических условий, что предотвратить опасные просадки земполотна с помощью относительно простых, доступных и дешевых мероприятий (засыпка озера грунтом, теплоизоляции мерзлых грунтов торфом) не представляется возможным. Положительного эффекта можно достигнуть только с помощью сложного комплекса мероприятий. Исследования показали, что первоочередным мероприятием должно быть осушение образовавшейся термокарстовой котловины. Для спуска озера необходимо углубить русло дренирующего ручья примерно на 2 м. Нормальное функционирование водоотвода может быть обеспечено созданием водоприемной воронки диаметром 10-15 м и глубиной на 0,5 м ниже дна озера. При этом борта воронки следует укрепить каменной наброской. Так как термокарстовые процессы привели к просадке пологонаклонного водораздела, произошел перехват значительной части поверхностного стока в термокарстовую западину, что еще больше способствовало ее обводнению. Устранить это явление можно путем сооружения дамбы длиной около 120 м при ширине 8-10 м и высоте 2-2,5 м. Для промораживания грунтов в основании бермы должны быть также использованы термосваи на отрезке длиной 65 м.
На участке 2 результаты прогнозных расчетов показали эффективность применения снегоочистки и теплоизоляционных материалов на берме для ликвидации деформаций земляного полотна. Несмотря на то что снегоочистка в качестве самостоятельного мероприятия позволяет добиться устранения пучин земляного полотна, эффект от ее применения полностью проявится только через 10 лет. Поэтому для ускорения процесса «лечения» земляного полотна целесообразно провести отсыпку теплоизоляционного покрытия (воздушно-сухого верхового торфа или пенопласта) на поверхности бермы. Это позволит перехватить поток поверхностных и надмерзлотных вод в грунты основания земляного полотна и таким образом, дренировав их, ликвидировать пучины на данном участке.
Полученные результаты показывают эффективность выполненных прогнозных расчетов для разработки противодеформационных мероприятий, обеспечивающих стабильную, долговременную устойчивость земляного полотна.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Поступила в редакцию 21.03.94
ГЕОЭКОЛОГИЯ
Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология
С 1995 г. В. Е. АФАНАСЕНКО, Л. С. ГАРАГУЛЯ, Е. Н. ОСПЕННИКОВ,
Т. А. НИСТРАТОВА
РАЗВИТИЕ ОПАСНЫХ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ЦЕНТРАЛЬНОМ УЧАСТКЕ БАМ
В статье дан сравнительный анализ развития геокриологических процессов на трассе БАМ в предпостроечный период и на протяжении первых 3—лет эксплуатации железной дороги. На основе материалов натурных наблюдений предложен подход к оценке степени опасности процессов по характеру и скорости деформации земляного полотна.
Как показали работы целого ряда исследователей и выполненные обследования, строительство и первые годы эксплуатации Байкало-Амурской железной дороги вызвали существенную перестройку пересекаемых трассой геокриологических систем, выразившуюся в развитии новых или активизации существующих в предпостроечный период геокриологических процессов. Эти процессы явились причиной возникновения деформаций земляного полотна и нарушения нормальных условий эксплуатации железной дороги, вплоть до аварийных ситуаций. Поэтому для определения причин деформирования пути и выбора противодеформационных мероприятий большое значение имеет оценка особенностей развития и проявления инженерно-геокриологических процессов на трассе с анализом причин активизации процессов, существовавших до сооружения железной дороги и возникших вновь после него.
Такой анализ должен включать в себя: а) изучение особенностей проявления и развития геокриологических процессов в естественных условиях, в конкретных типах геокриологических обстановок; б) характеристику нарушений природных условий, связанных со строительством и эксплуатацией железной дороги; в) оценку степени опасности отдельных видов инженерно-геокриологических процессов для нормальной эксплуатации трассы БАМ.
Средой развития экзогенных геологических процессов и явлений (ЭГПЯ) на БАМе служат многолетнемерзлые, промерзающие или оттаивающие горные породы. Поэтому разнообразие ЭГПЯ и их динамика тесно связаны с геокриологической спецификой территории —типами геокриологических обстановок (ТГО). На исследованном участке Байкало-Амурской магистрали (Тында —Зейск) выделяется шесть основных типов ТГО. В целом геокриологические условия трассы характеризуются преимущественно сплошным распространением многолетнемерзлых пород (ММП) мощностью от 7-10 до 40- 60 м при среднегодовых температурах от 0 до -2,5°.
Закономерности распространения мерзлых толщ определяются, с одной стороны, современными условиями теплообмена на поверхности, а с другой —величинами теплового потока снизу, из талой зоны в мерзлую. Интенсивность последнего на рассматриваемой территории в значительной степени зависит от водообильности подмерзлотного водоносного горизонта и наличия (или отсутствия) непосредственного контакта воды с мерзлыми породами. Анализ имеющихся материалов свидетельствует о том, что в пределах данного участка трассы подмерзлотный водоносный горизонт практически повсеместно контактирует с мерзлыми толщами. Близкое к поверхности залегание подмерзлотных вод и их высокая водообильность препятствуют глубокому многолетий промерзанию пород и формированию мощных толщ ММП. Однако обильность подмерзлотного горизонта в пределах территории неравномерна, определяется в основном положением участка в рельефе и степенью трещиноватости пород.
Наиболее мягкие геокриологические условия характерны для обширных залесенных междуречий, сложенных с поверхности четвертичными аллювиально-делювиальными образованиями. Мощность MMП, имеющих здесь преимущественно прерывистое распространение, не превышает 10-15 м и среднегодовых температурах от 0 до —0,2°. По достаточно узким зонам тектонических нарушений, служащих каналами для движения подземных вод, мощность ММП уменьшается до 7-10 м. При разработке глубоких выемок на таких участках происходило полное удаление ММП и под основными площадками выемок вскрывались талые породы.
В пределах междуречий, обычно заболоченных, сложенных с поверхности древними корами выветривания, формируются ММП мощностью 15—30 м при среднегодовых температурах -0,2 до 5°. Такое увеличение мощности ММП на водоразделах, сложенных корами выветривания, вызвано более дисперсным составом и большей влажностью рыхлых грунтов, а также заболачиванием поверхности. Талые подмерзлотные грунты при строительстве вскрывались только самыми глубокими выемками.
Близкий тип геокриологической обстановки с прерывистым распространением ММП мощностью 15-30 м характерен для склонов южной экспозиции. Наиболее сухие, крутые и незалесенные участки склонов южной экспозиции сложены талыми породами сквозных и несквозных таликов радиационно-теплового типа.
Верхним и средним частям склонов остальных румбов отвечают ТГО:
со среднегодовыми температурами -1,5-5 ° и мощностью ММП 30-40 м, иногда до 50 м. Такое увеличение мощности ММП связано с влиянием экспозиции, дисперсным составом и высокой влажностью развитых на поверхности делювиальных отложений.
Следует отметить, что отмеченные выше типы ТГО отличаются большой мощностью слоя сезонного оттаивания (промерзания для таликов), меняющейся от 2 до 5 м.
В пределах нижних частей и подножий склонов, сложенных делювиальными шлейфами и делювиально-пролювиальными конусами выноса, сформировался ТГО Д. Для него характерны низкие среднегодовые температуры (-2 ÷ -2,5°) и сплошное распространение ММП мощностью 40-60 м. Благодаря высокой заболоченности поверхности и торфянистому составу отложений глубина сезонного оттаивания здесь не превышает 1-1,5 м.
Наконец, в днищах речных долин, где абсолютно преобладает геоморфологический уровень I надпойменной террасы, отмечаются наиболее суровые геокриологические условия. Среднегодовая температура пород здесь составляет -2 ~-3°, а глубина сезонного оттаивания резко превышает 0,5-0,6 м. В то же время мощность ММП, как правило, снижается до 30-40 м вследствие отепляющего влияния контактирующих подмерзлотных вод, циркулирующих по разломным зонам.
Анализ распространения и интенсивности проявления в ненарушенных условиях экзогенных геологических процессов и явлений, в том числе геокриологических, выполненный на основе изучения их развития в пределах основных типов геокриологических обстановок, показал, что в предпостроечный период на исследованной территории преобладали преимущественно процессы слабой интенсивности, но имевшие широкое площадное распространение (заболачивание, делювиальный смыв).
0
Для типов геокриологических обстановок А и В характерно практически полное отсутствие проявлений экзогенных геологических процессов. Исключение составляет старые гари и отдельные пониженные участки междуречий, где развивается заболачивание грунтов. Заболоченные земли на таких участках отличаются небольшой мощностью (до 0,2 м) и прерывистым залеганием торфяного горизонта. Ряд признаков изменения состава растительного покрова лесов свидетельствует о прогрессирующем развитии заболачивания (в районах ТГО А и В).
В районах ТГО Б заболачивание является ведущим экзогенным геологическим процессом. Заболоченные земли занимают здесь около 50% общей площади. Заболачивание этих территорий связано с очень пологими склонами и выровненными поверхностями междуречий, слагающими основную часть территории, а также с составом кор выветривания, обладающих слабой водопроницаемостью из-за наличия в них линз и прослоев глин.
Чрезвычайно ограниченным площадным распространением отличаются районы ТГО Г, где встречаются немногочисленные термоэрозионные и эрозионные формы (преимущественно промоины, реже мелкие овраги), приуроченные к свежим гарям. На таких участках зачастую эрозионные образования встречаются вместе с поверхностями делювиального смыва, расположенными выше по склону.
Сравнительно широко развиты экзогенные геологические процессы и явления в районах с ТГО Д. Процессы заболачивания делювиальных и делювиально-солифлюкционных шлейфов привели к образованию на этих поверхностях обширных болот низинного и переходного типа (осоково-кочкарниковых, пушицевых, осоково-гипновых и др.) с мощностью торфа до 1 м. На незаболоченной части этих районов ведущая роль принадлежит процессам делювиального смыва и аккумуляции, образующим покровы и шлейфы у подножий склонов. Для последних характерны влажные поверхности со следами струйчатого размыва и полосами стока. Ложбины и полосы стока представляют собой едва заметные линейно вытянутые понижения с очень плавными переходами к основной поверхности склона. Нередки случаи, когда при выходе к уступам террасовых уровней ложбины и полосы стока превращаются в широкие промоины с глубиной вреза до 1,5 м и отвесными бортами. В их устьях формируются относительно крупные конусы выноса.
Наибольшим распространением пользуются экзогенные геологические процессы и явления в пределах ТГО Е. Отличительной особенностью этих территорий является их практически повсеместная заболоченность. Верховые болота —одно из самых распространенных образований, обусловленное выровненностью рельефа, муссонностью климата и близким залеганием кровли ММП. Голоценовый период развития этих болот сопровождался образованием горизонта высокольдистых торфов мощностью до 3-4 м и более, содержащих включения сегрегационно-инъекционных и повторно-жильных льдов, вертикальной мощностью до 3-5 м. В основном к верховым болотам приурочены и наиболее ярко выраженные проявления термокарста, являющегося в естественных условиях следствием низовых пожаров и естественной динамики и смены моховых и лишайниковых покровов. Глубина термокарстовых озер и западин обычно не превышает 2-3 м при площадных размерах не более 100 м. К болотным массивам приурочены торфяные миграционные бугры пучения, часто имеющие сложную лопастную и овальную формы при относительной высоте 0,2-0,5 м. Ядро бугров отличается высокой льдистостью и преимущественно атакситовой и линзовидно-слоистыми биогенными текстурами. Миграционные бугры, как правило, являются сезонами образованиями, связанными с промерзанием сезонно-талого слоя (СТС) в пределах зарастающих мочажин различного генезиса. Реже встречаются многолетние миграционные бугры пучения, образующиеся при промерзании талых болотных массивов, формирующихся при заболачивании старичных озер. Инъекционные бугры пучения наблюдаются главным образом в долинах рек и ручьев. Они образуются на участках, где до конца промерзания существует возможность подтока надмерзлотных вод или вод более глубоких горизонтов (обычно аллювиальных вод таликов). Видимая мощность инъекционных бугров в естественных условиях редко превышает 1 м при такой же мощности ледяного ядра. Как правило, инъекционные бугры пучения сопровождают наледи. Последние не пользуются широким распространением. По размерам преобладают мелкие и средние наледи с мощностью льда от 0,5 до 2 м. В образовании наледей участвуют воды грунтово-фильтрационных таликов, реже надмерзлотные воды СТС, все наледи являются однолетними.
При строительстве и эксплуатации трассы БАМ, несмотря на то, что проектной документацией предусматривалось максимально возможное сохранение естественных условий, произошли различные нарушения природной обстановки. Наиболее существенные нарушения, вызвавшие зачастую коренную перестройку геокриологических условий, связаны с разработкой выемок. При сооружении выемок производится выборка грунта на значительную глубину (до 25-30 м) с одновременной его отсыпкой в прибровочной части на поверхности кавальеров. При глубине выемок до 15 м коренные нарушения природных условий отмечаются в полосе шириной 700-900 м. В выемках глубиной до 25 м ширина полосы с сильными нарушениями естественных условий увеличивается до 1000-1300 м.
При сооружении насыпей в полосе примерно от 500 ДО 1000 м производится а) сжатие мохово-торфяного покрова гусеничным транспортом, б) удаление древесного или мохового покрова, в) полное удаление растительного покрова; г) отсыпка притрассовых и подъездных дорог, е) подтопление поверхности слоем воды мощностью до 1,5-2 м. Кроме того, для ТГО со сравнительно сухой поверхностью характерно запыление растительного покрова, сопровождающееся градацией мхов и лишайников. Следствием указанных нарушений является завышение среднегодовой температуры пород и полосе отвода и под основной площадкой дороги. В наибольшей степени оно характерно для подтопленных летков, если мощность слоя воды превышает 0,3 0,5 м. И таких условиях взвиваются гидрогенные сквозные и несквозные талики.
Воздействие всех видов техногенных нарушений приводит к увеличению глубины сезонного оттаивания грунтов. В полосе отвода в результате удаления мохово-торфяного покрова или применения отсыпки глубина СТС увеличивается на 1,2-1,5 м против 0,6-0,8 м в ненарушенных условиях (на заболоченных поверхностях). Особенно существенны изменения глубины СТС под насыпями, при преобладающей широтной ориентации трассы глубина сезонного оттаивания грунтов под насыпью составляет 2-3 м под северным откосом и 4-5 м под южным. Асимметрия в сезонном протаивании приводит к формированию под земляным полотном в кровле ММП желоба, смещенного к южному откосу насыпи. Отмеченные выше нарушения природных условий в период строительства и эксплуатации железной дороги привели к существенному изменению особенностей развития и проявления инженерно-геокриологических процессов но трассе Байкало-Амурской магистрали. Причем наибольшие изменения характерны для участков выемок. Вскрытие напорных подмерзлотных вод привело к наледообразованию на основных площадках. Размеры возникающих техногенных наледей определяются главным образом величиной гидравлического напopa и водообильностью пород и могут достигать мощности нескольких мет ров. Образование наледей приурочено к узлам пересечения выемок с разломами, по которым происходит разгрузка вод подмерзлотного стока. Отличительной особенностью наледей этого типа является то, что они формируются в течение всего одного периода —с ноября по апрель. В случае если уровень подмерзлотмых располагается ниже основания выемки, но входит в слой сезонного промерзания грунтов, над зонами тектонических нарушений образуются инфекционные бугры пучения. Гидравлические напоры, обусловливающие их формирование, образуются в результате движения фронта зимнего промерзания, Вследствие инъекционные бугры пучения, высота которых может достигать 3 м и более, начинают развиваться преимущественно в конце зимы, когда фронт промерзании достигает уровня подземных вод.
Создание выемок в совокупности с неэффективной работой водоотводных каналов вдоль внешних кромок кавальеров привело в стоку надмерзлотных вод на основную площадку выемок. Вследствие этого значительная часть наледей в выемках образуется при намораживании надмерзлотных вод. Надмерзлотные воды сезонноталого слоя образуют маломощные наледи с мощностью льда не более 0,5 м, формирующиеся в первой половине зимы (до сработки горизонта надмерзлотных вод слоя СТС).
Вскрытие выемками скальных пород привело к резкой максимальной активизации процессов выветривания. Усилению выветривания способствовали быстрые изменения напряженного состояния пород и термодинамических условий, а также проходка выемок. Выветривание скальных грунтов в бортах выемок предопределило широкое развитие размыва откосов. Отличительная особенность преобладающего числа выемок —бороздчатый размыв откосов, сложенных сильно выветрелыми скальными породами. Многочисленные борозды глубиной 0,3-0,5 м прорезают не только рыхлый покров, но и выветрелые до дресвы и щебня гнейсы и кристаллические сланцы. Борозды располагаются настолько часто, что на основной площадке конусы выноса сливаются, образуя шлейфы. Это приводит к заполнению кюветов и выходу из строя дренажной системы в целом.
Вскрытие выемками образований древних кор выветривания (ТГО Б), содержащих в своем составе глинистые прослои и линзы, под воздействием увлажнения атмосферными осадками и надмерзлотными водами приводит к разуплотнению и набуханию пород на большую глубину (до нескольких метров от дневной поверхности). Следствием этого является развитие как мелких оплывин и сплывов, так и крупных оползней. Последние имеют глубину захвата до 5-8 м. Их образованию также способствует заметное увеличение глубин сезонного оттаивания на откосах выемок.
При сооружении насыпей наименьшие изменения динамики и особенностей проявления экзогенных геологических процессов отмечаются для ТГО В и Г, что соответствует незначительному изменению инженерно-геокриологических условии этих территорий под воздействием техногенных нарушений. В верхних и средних частях склонов южных румбов, сложенных непросадочными и дресвяно- щебнистыми отложениями (ТГО В), отмечается возникновение эрозионного размыва полосы отвода. Размываемые участки приходятся на нагорную часть полосы отвода, где концентрируется надмерзлотный и поверхностный сток с прилегающего склона. Развитие эрозии является следствием различного рода нарушений растительного покрова при строительстве, а также пожаров, которым наиболее подвержены сухие ландшафты. Однако благодаря преимущественно грубообломочному составу поверхностных отложений промоины, образующиеся на таких участках, имеют малую глубину вреза до 0,5-0,8 м и сравнительно редкое распространение.
Наиболее существенные изменения в проявлении экзогенных процессов произошли в ТГО Д и Е. На слабосточных участках полосы отвода, благодаря механическим нарушениям растительного покрова и подтоплению территории, произошла резкая активизация термокарстовых процессов. Площади образовавшихся термокарстовых просадок изменяются от нескольких до 1000-2000 м. Наиболее распространенная глубина их составляет 1,5-2 м и контролируется мощностью развитых на данной территории льдистых просадочных грунтов. Как правило, термокарстовые просадки и озера начинают образовываться у кромки верховой бермы, но по мере развития захватывают прилегающую часть полосы отвода и участка бермы и земляного полотна. На этом этапе термокарстовые просадки отчетливо фиксируются осадками земляного полотна и рельсово-шпаловой решетки. Наиболее активно термокарст развивается по системе залежеобразующих льдов (повторно-жильных, инъекционных и миграционных).
В пределах полосы отвода формируются техногенные наледи вод надмерзлотного стока и грунтово-фильтрационных таликов и лишь изредка поверхностных вод, поскольку мелкие водотоки срабатываются к началу наледообразования. Наледи этих типов образуются в результате перехвата подземных вод насыпью. Они имеют обычно мелкие размеры (площадь до 4-5 тыс. м2 и мощность льда до 1 м) и располагаются преимущественно перед водопропускными сооружениями и часто заполняют водоотводные канавы. Формирование наледей начинается в октябре и заканчивается в ноябре-декабре.
Сооружение трассы вызвало активизацию термоэрозии в полосе отвода в пределах ТГО Д и Е. Причиной этого стала нарезка водоотводных канав вдоль земляного полотна. Особенно активно и с образованием крупных промоин и оврагов развивается термоэрозионный размыв на участках распространения повторно-жильных льдов —в нижних частях делювиально-солифлюкционных склонов и на поверхности первой надпойменной террасы, сложенной биогенными грунтами. В таких условиях термоэрозионные овраги достигают глубины до 4-4,5 м ширины до 5-6 м. Борта оврагов активно подмываются, размываются, свисают карнизами и обваливаются. Часто в промоинах и оврагах, даже если они расположены на подгорной стороне полосы отвода, начинает развиваться пятящаяся эрозия, что представляет непосредственную опасность для земляного полотна.
В притрассовой полосе ТГО Д и Б новый импульс приобрели процессы заболачивания, главным образом вследствие подпруживания поверхностного и над- мерзлотного стока насыпью. В большинстве случаев на первичной поверхности верховых болот начинают формироваться сильнообводненные вторичные низинные и переходные болота —осоково-разнотравные, пушицевые, осоково- I гипновые. Развитие гидрофильных болот, отличающихся высоким обводнением, обычно предшествует началу термокарста.
Инженерно-геокриологические процессы, развитые в полосе отвода Байкало-Амурской железной дороги, характеризуются различной степенью воздействия на устойчивость земляного полотна. Причем степень деформирования пути под действием различных видов инженерно-геокриологических процессов не находится в прямой зависимости от пораженности полосы отвода тем или иным процессом. Видно, что чрезвычайно высокая степень деформирования пути характерна для ТГО А, где под основными площадками выемок на водоразделах вскрываются горизонты напорных подмерзлотных вод, формирующих зимой наледи и крупные инъекционные бугры пучения. Следствием этих явлений являются сходы составов с рельсов и перерывы в движении, связанные с проведением ремонтных работ (скалывание льда, подъем пути на балласт и др.). Опасность инъекционного пучения усугубляется тем, что рост бугров происходит очень быстро, часто менее чем за сутки. Чрезвычайно большие деформации земляного полотна отмечаются также в пределах ТГО Е, где развиваются быстрые термокарстовые просадки в днищах речных долин, сложенных сильнопросадочными биогенными грунтами.
Оценивая особенности развития опасных инженерно-геокриологических процессов на БАМ, можно сделать следующие выводы.
1. Виды экзогенных геологических процессов в ненарушенных условиях особенности их развития и масштабы проявления тесно связаны с типами существующих геокриологических обстановок.
. В предпостроечный период притрассовая территория характсричокалось * целом слабым проявлением процессов, из которых преобладали заболачивание плоскостной смыв, неглубокие и небольшие в плане термокарстовые образования.
. Строительство железной дороги вызвало активизацию и полоса отвода целого ряда инженерно-геокриологических процессов (термокарста, термоэрозии, наледообразования и др.) и возникновение ЭГПЯ в пределах ТГО, где они прежде отсутствовали (наледи, инъекционные бугры пучения, оползни и др.
4. Инженерно-геокриологические процессы в полосе отвода дорого характеризуются различным воздействием на устойчивость земляного полотна. Наиболее опасны процессы наледообразования и инъекционного пучения в выемках, термокарста в днищах речных долин, сложенных сильно просадочными аллювиальными и биогенными грунтами.
Анализ результатов комплексного инженерно-геологического обследовании центрального участка БАМ, включавшего в себя обобщение опыта строительства и эксплуатации дороги, материалов инженерно-геокриологического картирования полосы отвода в масштабах 1:10 000 и 1:2000 (на «больные» участки), попикетное описание земляного полотна и прогноз изменения инженерно-геокриологических условий, позволил провести типизацию природно-технических систем по основным компонентам.
На рассматриваемом участке железная дорога проложена либо в выемках, либо на насыпи, что обусловило выделение двух соответствующих типов сооружения. По конструктивным особенностям земляное полотно представлено восьмью видами, каждый из которых соответствует определенным типам инженерно-геокриологической среды. Последние характеризуются конкретным элементом рельефа, типом мерзлой грунтовой толщи и типом подземных вод. Разнообразие компонентов среды на участке, различаемом по их количественным и качественным показателям, градации которых при типизации природно-территориальных комплексов приняты в соответствии со спецификой сооружения, представлено ниже.
Так, среди элементов рельефа, пересекаемых трассой железной дороги, выделяются: 1) плоские водоразделы с абсолютными высотными отметками 500-650 м; 2) плоские водоразделы с абсолютными отметками 400-500 м; 3) склоны крутизной 8-10°; 4) склоны крутизной 3-8°; 5) днища речных долин и межгорных впадин.
Типы подземных вод в грунтах основания земляного полотна и в полосе отвода: а) надмерзлотные воды слоя сезонного оттаивании пород; б) надмерзлотные воды несквозных таликов; в) подземные воды сквозных таликов.
Индексация видов земляного полотна и компонентов инженерно-геокриологической среды позволяет составить двучленный индекс природно- технической системы. Первый член индекса представляет сооружение, второй - среду, в которой оно работает. Как видно, на исследуемом участке выделяется восемь видов природно-технических систем.
Материалы натурных наблюдений на трассе свидетельствует о веском повсеместном смягчении геокриологических условий. Оно выражается: а) в повышении среднегодовой температуры грунта в отрицательном спектре температур и увеличении глубины сезонного оттаивания; 6) периодическом переходе среднегодовой температуры пород в область положительных значений и формировании несливающейся мерзлоты и иесквозиых таликов; в) в стабильном переходе среднегодовой температуры пород в область положительных температур и формировании сквозных таликов. Приуроченность этих изменений к конкретным природно-техническим системам.
«Г,
97
Геология, № 4
П
делювиальный
заболачивание обломочными
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
грунтов//Оползни, сели, термокарст в Восточной Сибири и их инженерно-геологическое значение. М.: Наука, 1969. С. 96—.
рального участка БАМ и прогнозная оценка их техногенного изменения: Аатореф. дне. ... канд. геол.-мин. наук. М.: МГУ, 1987. С 8—.
Таблица 3 1 и землею.
гути и яуатацив
составов с ги на 1—
орости рывы в
орости см/ч
и движения
МГУ
Поступила
нения мерзлотных условий в результате строительства железных дорог в районах высокотемпературных вечномерзлых груитон//Охрана окружающей среды: Тез. докл. Всесоюз. совет Якутск: ИНМЕРО СО АН СССР. 1975. С. 126—.
ш редакцию 5, V. 1994
гания. Как ежденне о
-^оерывы
(If)
.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
участках трассы//Исследование устойчивости земляного полотна железных дорог в районах вечной мерзлоты: Сб. науч. тр. МНИИС, М., 1987. С. 50—.
да//Трансп. стро-во, 1981. № 10.
участках БАМа//Трансп. стр-во» 1982. № 2. С. 6—-7.
ч
Томск, 1987. С. 60—.
Поступила в редакцию 5.IV.1994
45
МГУ