Воздействие мерзлоты на ВХО

Грунтово-криологические условия в различных районах Сибири значительно отличаются друг от друга, это обуславливается не только климатическими, но и инженерно-геологическими условиями. В русловой части рек и в водоемах при глубине воды зимой более 1…2 м обычно наблюдается значительное понижение верхней границы вечной мерзлоты или мерзлота вообще отсутствует. Прочность и деформируемость грунтов зависят от их температуры, льдистости и наличия незамерзшей воды.

Несущая способность сооружений, построенных в условиях вечной мерзлоты, в большинстве своем несколько десятилетий назад не соответствует проектной. Одной из причин является изменение границ вечной мерзлоты вследствие воздействия тепла от вод акватории. Основная особенность вечномерзлых грунтов обусловлена наличием в них льда, от состояния и распределения которого в значительной степени зависят свойства грунта. Чем больше в грунте ледяных включений, тем ниже его прочность. Прочность мерзлых грунтов существенно зависит от длительности приложения нагрузки. При кратковременном приложении нагрузки прочность мерзлых грунтов довольно велика, а при длительном воздействии нагрузки наблюдается значительное ее снижение.

Общий вид ряжевой причальной набережной

Якутского речного порта

Нередко при строительстве набережных приходится сталкиваться с проблемой, что на протяжении набережной физико-механические свойства грунтов различны. В основании сооружения мерзлые грунты могут чередоваться с талыми или находиться в различных состояниях.

Необходимо учитывать реологические свойства грунтов, которые меняются после постройки сооружения. Для сыпучих грунтов переход из мерзлого состояния в талое не является причиной, приводящей к потере несущей способности, что объясняется хорошей дренирующей способностью сыпучих грунтов. А для сильнольдистых дисперсных грунтов (Л_в³0,4) такой переход может привести к значительной потере несущей способности. Для всех грунтов при оттаивании характерны деформации, приводящие к осадке основания. Осадка сыпучих грунтов происходит одновременно с оттаиванием, дисперсные грунты оседают длительное время. Одна из главных причин, аварий гидротехнических сооружений, возведенных в условиях вечной мерзлоты, это резкое оттаивание грунтов, которое приводит к неравномерным осадкам.

Влияние грузов, складируемых на причалах, динамические и вибрационные воздействия передаются конструкциям через грунтовую среду, а складирование грузов на причалах, построенных в условиях вечной мерзлоты, в зимний период времени может привести к нарушению условий теплообмена. Поэтому немаловажно следить за рациональным размещением грузов и очисткой причалов от снега, рассчитанных на работу конструкции с промороженной обратной засыпкой, примером может служить порт в Лобытнанги.

Обской причал Лобытнанги

Расположение в зоне многолетнемерзлых пород (ММП) является серьезным фактором риска повреждения плотин и их водохранилищ. 48% аварий на гидростанциях происходит именно в таких регионах (при незначительном числе расположенных здесь ГЭС). Основная причина повреждений - недоучет криогенных процессов в теле плотин, их основаниях и в районах примыкания, связанных с изменениями под влиянием гидроузлов условий теплообмена, температурного режима, физико-технических свойств мерзлых пород, приводящих к развитию термокарста, термоэрозии, наледообразованиям и т.п.

Одновременно криогенные процессы (термоабразия, солифлюкция, термокарст) оказывают воздействие на ложе и берега водохранилищ, являясь, наряду с волновой абразией, активным берегоформирующим фактором. На отвесных берегах водохранилищ криогенные процессы приобретают свою специфику в условиях периодического промерзания и оттаивания слагающих пород. В мерзлых скальных породах с блочной разбивкой в береговых примыканиях плотины из-за нарушений сплошности и расширения швов фильтрация может резко (в разы) усиливаться.

Гидросооружениям зоны ММП также свойственно увеличение объемов водохранилищ и их площадей против проектируемых (по разным оценкам до 15% и более), в основном за счет просадок дна и роста мертвого объема в промежуточной и глубоководной зонах водоемов, что задерживает достижение нормального подпорного уровня, осложняет условия эксплуатации водохранилищ, снижает выработку электроэнергии.

1. Цифры и факты:

В период наибольшего прогревания (июль) температура воды в нижнем бьефе Вилюйского водохранилища понизилась против естественного режима на 7,8°. В то же время, после заполнения, в подэкранной области плотины возникла зона, температура которой всегда положительна. В период окончания отсыпки плотины площадь этой зоны составляла 6 %. Через 10 лет площадь этой зоны увеличилась в 3 раза. Одновременно уменьшилась охлаждаемость призмы в зимнее время. Глубина проникновения изотермы –25°С в глубь призмы снизилась с 38 до 20 м. Размах сезонных колебаний температуры наброски в нижней части призмы уменьшился в 4 раза, а в средней и верхней части – в 1,5 раза; среднегодовая температура наброски внутренней зоны повысилась с –8,6 до –4,5°С, а размах сезонных колебаний уменьшился с 9,9 до 5,9°С.

В мерзлотоведении известно, что вертикальное тепловое влияние водоема распространяется на глубину, равную половине диаметра водоема. Следовательно, отепляющее влияние водоема, диаметр которого окажется равным 0,6-0,7 км и более, рано или позже скажется до глубины 300-400 м.

За 50 лет в зоне влияния водохранилищ протаивает покров рыхлых ММП мощностью 15-18 м. Таким образом, средняя скорость протаивания всей толщи рыхлых мерзлых пород со средней температурой -1 °C составляет 30-36 см/год. В течение первых 10 лет протаивание проходит заметно активнее, со средней скоростью 66-82 см/год. Техногенные воздействия отражаются в активности деструктивных криогенных процессов в ходе сезонного протаивания. Мерзлые породы начинают протаивать на 8-10 дней ранее, а глубина протаивания приблизительно в 2 раза больше, чем в естественных условиях.

При проектировании противофильтрационных завес Вилюйской и Усть-Хантайской плотин проницаемость скальных массивов оценивалась по данным исследований руслового талика. Однако по мере накопления опыта выявлено, что проницаемость оттаивающих пород может быть на 2-3 порядка выше, чем проницаемость руслового талика.

На участках рыхлых отложений с льдистостью до 40% разрушение берегов в процессе термоабразии наиболее активное (4-6 м/год и более). С увеличением льдистости пород возрастает скорость термоабразии, а если льдистость пород больше некоторого критического значения, разрушение берега приобретает незатухающий характер. Скорость разрушения берегов со временем увеличивается от 4-5 до 10-12 м/год. Это вызвано, в основном, усилением тепловой просадки подводного склона с течением времени и, как следствие, постепенным возрастанием энергии воздействующего на берега волнения.

Для ГЭС на мерзлоте характерно увеличение объемов водохранилищ и их площадей против проектируемых (до 15% и более) и роста мертвого объема за счет просадок на дне значительных блоков пород после их протаивания. В криолитозоне обводнение горных пород под дном водохранилища развивается по мере их оттаивания, которое может продолжаться десятки и сотни лет.

Самая северная краевая ГЭС была построена ещё в 1963-1975 гг. на реке Хантайка для нужд Норильского ГМК. Характерно название поселка гидростроителей – Снежногорск. Сегодня Усть-Хантайская ГЭС является одной из самых северных гидроэлектростанций в мире. Ее среднегодовая выработка электроэнергии – 2 млрд. кВтч

Процесс оттаивания ММП в районе гидроузла Усть-Хантайской ГЭС продолжался 19 лет. У Вилюйского гидроузла в первые четыре года многолетнемерзлые породы протаяли под плотиной на глубину в 9 м, в остальные годы - на 6-9 м, а наибольшая величина протаивания достигала 14 м.

Усть-Илимская гидроэлектростанция— на реке Ангара в Иркутской области, в городе Усть-Илимск. Является третьей ступенью Ангарского каскада ГЭС, после Иркутской и Братской ГЭС.

Мощность 3,84 ГВт. Высота верхнего бьефа над уровнем моря (НПУ) составляет 296 м. По плотине ГЭС проложен автодорожный переход, по которому закрыто движение. Судопропускных сооружений ГЭС не имеет, в перспективе предусмотрено сооружение судоподъёмника

В условиях суровых зим из-за образования временного слоя мерзлых пород происходит осадка основного сооружения. Так было на Усть-Илимской ГЭС, поскольку в её каменной наброске образовался клин мерзлого тела, который затем растаял.

Курейская ГЭС на р.Курейка (впадает в Енисей) Красноярский край

Авария 1992 г. на русловом участке каменно-земляной плотины Курейской ГЭС, построенной в 1989-1992 гг., была вызвана суффозионными нарушениями фильтрационной прочности контакта ядра плотины со скальным основанием. 26 июля 1992 г. произошел прорыв напорного фронта плотины и фильтрация увеличилась с 20 до 1750 л/с. Прорыв сопровождался выносом значительного объема грунта, проседанием верхового откоса плотины, образованием продольных трещин и воронки на низовом откосе. Наиболее высока аварийность (более 80%) у низконапорных грунтовых плотин мерзлого типа и дамб в хвостовой части водохранилищ.

Особенностью северных рек на вечной мерзлоте являются резкие колебания расходов. Хантайка весной "полнеет" в 200 раз(!), а в зимнее время станции испытывают дефицит притока воды.

Мамаканская ГЭС на р.Витим (впадает в Лену) в Иркутской области

Например на Мамаканской ГЭС (первой из станций на мерзлоте) зимой работает всего один генератор из четырех.

Наименование фактора	Степень воздействия
благоприятное	неагрессивное	слабоагрессивное	среднеагрессивное	сильноагрессивное
Мерзлота	Стабильное состояние мерзлоты	Изменение границ мерзлоты незначительно	Наблюдаются незначительные изменения границ мерзлоты, не сопровождающиеся заметными изменениями характеристик вечномерзлых грунтов	Границы мерзлоты и характеристики вечномерзлых грунтов в процессе эксплуатации причальной набережной претерпели значительные изменения	Изначально принятые вечномерзлые грунты отступают и конструкция работает не на вечномерзлых грунтах

Грунты

Несущая способность причальных набережных зависит от характеристик грунтов основания и обратной засыпки. Прочность глинистого грунта зависит от продолжительности действия нагрузки, а в грунтах, обладающих ползучестью, уменьшается со временем до длительной прочности.

По этой причине активное давление грунта может существенно возрасти, а пассивное – снизиться. Боковое давление глинистого грунта может возрасти в несколько раз и даже приблизиться к величине пассивного давления водонасыщенной глины, если создаются условия для его набухания, например, при контактной фильтрации. Аналогичный эффект возникает при морозном пучении водонасыщенного грунта.

К слабым грунтам следует относить глинистые грунты с влажностью более 0,8, которые в интервале давлений 0,05…0,3 МПа имеют модуль деформации меньше 5 МПа. Малая несущая способность грунтов, большие объемы осадок, значительные сроки стабилизации делают возведение на данных грунтах причальных сооружений процессом сложным и трудоемким.

В естественном залегании слабые грунты обладают незначительной плотностью – при нагрузке 0,1…0,15 МПа сжимаемость их составляет 10 – 15 % мощности сжимаемого слоя. Уплотнение слабых грунтов происходит в течение длительного промежутка времени, иногда десятилетиями, в связи с малой фильтрационной способностью (коэффициент фильтрации 10^-6…10^-9 см/с).

Наименование фактора	Степень воздействия
благоприятное	неагрессивное	слабоагрессивное	среднеагрессивное	сильноагрессивное
Грунты основания	Скальный	Щебенистый (галечниковый). Дресвяной (гравийный). Супесь легкая, крупная. Глина песчанистая	Песок крупный. Песок средней крупности. Супесь легкая. Суглинок легкий. Суглинок тяжелый	Песок мелкий. Песок пылеватый Супесь пылеватая Суглинок легкий, пылеватый Глина пылеватая (полужирная)	Глыбовальный (валунный). Супесь тяжелая, пылеватая Глина жирная
Грунты обратной засыпки	Скальный. Песок гравелистый. Песок крупный Супесь легкая, крупная. Супесь легкая	Песок средней крупности. Супесь пылеватая	Щебенистый (галечниковый). Дресвяной (гравийный). Песок мелкий. Песок пылеватый. Супесь тяжелая, пылеватая. Суглинок легкий. Суглинок легкий, пылеватый. Глина песчанистая	Суглинок тяжелый. Суглинок тяжелый, пылеватый Глина пылеватая (полужирная)	Глыбовальный (валунный). Глина жирная