Классификация типов толщ многолетнемерзлых горных пород по устойчивости (чувствительности) к изменениям внешнего теплообмена

На ранних стадиях инженерно-геокриологических исследований (предпроектная стадия инженерно-геологических изысканий) одним из основных результатов прогнозирования должна быть оценка чувствительности и устойчивости территорий с многолетнемерзлыми породами к техногенным воздействиям. При этом под "чувствительностью" следует понимать реакцию геосистемы на воздействие, а под "устойчивостью" – способность геосистемы противостоять воздействиям без изменения ее состояния и структуры, т.е. без таких изменений компонентов природного комплекса и взаимосвязей между ними, которые могли бы привести к недопустимым деформациям сооружений или к необратимому ухудшению экологической обстановки.

По существу и чувствительность, и устойчивость понятия близкие по смыслу и определяются по "величине" изменений геокриологических характеристик, но в последнем случае предполагается ограничение предела допустимости изменений исходя из решаемой практической задачи. Очевидно, что устойчивость геосистем можно оценивать в разных аспектах применительно к различным видам сооружений, так как сооружения по-разному реагируют на изменения состояния и свойств пород, протекающие в них процессы. Одни и те же изменения геокриологических условий могут быть и опасными и неопасными в зависимости от вида сооружений и принципам использования грунтов в качестве их основания. И если устойчивость геосистем охарактеризовать допустимыми техногенными воздействиями, не вызывающими опасных изменений инженерно-геокриологических условий, то они могут быть существенно различными в зависимости от вида сооружения (например, допустимые воздействия при строительстве аэродромов отличаются от допустимых воздействий при строительстве магистральных трубопроводов и тем более при строительстве промышленных зданий и т. д.). В то же время для одного и того же вида сооружений допустимые воздействия зависят от исходной естественно сложившейся обстановки. Таким образом понятие "устойчивость" в достаточной мере условно и в каждом конкретном случае следует оговаривать аспект его приложения.

Чувствительность геосистемы (природного комплекса) не зависит от техногенных воздействий, она является ее свойством, способностью реагировать на воздействия. Поэтому это понятие более определено, оно всегда характеризуется степенью (величиной) изменения отдельных (или ряда) геокриологических характеристик под влиянием отдельных (или суммы) воздействий.

Методика количественной оценки тепловой устойчивости мерзлых толщ (синонимы – энергетическая, температурная устойчивость), т.е. возможность сохранения грунтами их мерзлого состояния рассматривалась многими авторами (Пармузин, Суходольский, 1980, Жигарев, Пармузина, 1992, Шур, 1988, Чернядьев, 1970 и др.). На ранних стадиях проектирования инженерных сооружений на многолетнемерзлых грунтах должны быть решены две основные задачи.

Для комплексной оценки территории при проведении исследований на ранних стадиях проектирования сооружений на многолетнемерзлых грунтах должны быть решены две основные задачи. Первая: должна быть получена оценка теплового взаимодействия сооружений с грунтами, определяющего свойства и поведение грунтов в основании; вторая: должна быть получена характеристика развития инженерно-геокриологических процессов и оценка их влияния на сооружение и преобразование ландшафта.

Для решения первой задачи может быть достаточно эффективно использована классификация многолетнемерзлых пород по термодинамическим параметрам. Для решения второй - оценка развития инженерно-геокриологических процессов по степени их проявления в рельефе и характеру изменения этих проявлений во времени в связи с различными типами изменений температурного режима пород и глубин их сезонного оттаивания.

Интенсивность процессов протаивания и промерзания пород и проявления инженерно-геокриологических процессов при нарушениях природных условий определяется составом и свойствами отложений и термодинамическим состоянием мерзлых толщ, которое характеризуется годовыми теплооборотами, среднегодовой температурой пород и теплотой фазовых переходов воды (льда) в грунтах. Годовые теплообороты и среднегодовая температура пород определяют современный энергетический уровень теплообмена в пределах слоя годовых колебаний температуры. Теплота фазовых переходов воды в сочетании со среднегодовой температурой отложений характеризует тепловую инерцию многолетнемерзлых пород (ММП) и определяется их объемной льдистостью, сформировавшейся на протяжении всей истории развития многолетнемерзлой толщи.

Для оценки термодинамического состояния ММП по указанным параметрам в развитие выдвигавшихся ранее положений (Гарагуля, Пармузин, 1982, Гарагуля и др., 2003) предлагается следующая классификация мерзлых толщ. По преобладающей среднегодовой температуре (t _ср) выделяются мерзлые толщи: а) с t _ср выше -1°С; б) с t _ср в интервале от -1°С до -3°С); в) с t _ср в интервале от –3 до –5 ⁰С; г) с t _ср ниже -5°С.

По величине объемной льдистости (i), которая однозначно определяет теплоту фазовых переходов воды в породах, мерзлые толщи могут быть подразделены на четыре класса: а) объемная льдистость которых менее 0,2; б) льдистость которых находится в пределах 0,2 - 0,4; в) льдистсть мерзлых пород находится в пределах 0,4 – 0,6; и г) льдистость которых превышает 0,6 (ледогрунт).

В соответствии с приведенной классификацией мерзлые толщи разделяются на несколько градаций, определяемых различным сочетанием среднегодовой температуры и льдистости грунтов. Наибольшей тепловой инерционностью (наибольшим тепловым потенциалом) будут характеризоваться территории распространения низкотемпературных ММП с величиной объемной льдистости более 0,6. В пределах этих участков формируются наименьшие ореолы протаивания грунтов под сооружениями, требуются большие затраты тепла для повышения среднегодовой температуры ММП до 0⁰С и их протаивания. Наименьшей инерционностью обладают ММП с льдистостью менее 0,2 и среднегодовой температурой выше –1 ⁰С.

Подразделение по степени инертности остальных типов мерзлых толщ связано с некоторыми трудностями, поскольку равная мощность сезонноталого слоя (СТС) или ореолов протаивания под сооружениями может формироваться при различных сочетаниях среднегодовой температуры грунта и его льдистости. Количественная оценка значимости (вклада) t _ср и i в формирование мощности СТС или ореолов протаивания грунтов позволяет выделить несколько типов мерзлых толщ по степени инерционности (табл. 1.5.1). С некоторой степенью условности можно разделить типы мерзлых толщ на слабоинерционные, среднеинерционные, высокоинерционные и ультоинерционые. Естественно, что в конкретных типах местности могут встречаться не все из выделенных классификационных разновидностей мерзлых толщ по их тепловой устойчивости.

Несмотря на то, что выделяемые таким образом градации имеют относительное значение, они характеризуют степень тепловой инерции ММП в зависимости от сочетания среднегодовой температуры и льдистости отложений. Чем меньше порядковый номер градации, тем меньше требуется затрат тепла для протаивания мерзлых грунтов и тем большие мощности СТС и ореолов протаивания будут формироваться (при прочих равных условиях).

Помимо среднегодовой температуры и объемной льдистости отложений необходимым параметром, играющим значительную роль в формировании мощности СТС, являются теплофизические свойства отложений, в основном коэффициент теплопроводности грунтов, который функционально связан с объемной влажностью (льдистостью) и составом отложений. Поэтому выделенные по степени инерционности типы многолетнемерзлых толщ (ММТ) должны характеризоваться литологическим составом грунтов в естественных условиях.

Таким образом, в результате районирования территории по указанным признакам можно без дополнительных расчетов выявить участки, в пределах которых требуется большее или меньшее количество тепла для протаивания отложений и формируются относительно большие или меньшие ореолы оттаивания грунтов при техногенных воздействиях.

Предложенный подход может быть использован как для оценки региональных особенностей больших территорий при составлении карт в обзорном масштабе, так и при составлении карт сложности территорий на предпроектных стадиях инженерно-геологических изысканий.

При проведении инженерно-геокриологических исследований на предпроектной стадии изысканий конкретных сооружений необходимым элементом оценочного районирования помимо определения тепловой инерции мерзлых толщ является характеристика проявления мерзлотных процессов в естественных условиях и при

Табл. 1.5.1

Тепловая инерция мерзлых пород (МП)

Суммарная объемная льдистость пород, д. ед.	Среднегодовая температура пород, °С
до –1	от –1 до –3	от –3 до –5	ниже –5
До 0,2
0,2–0,4
0,4–0,6
> 0,6

Примечания:		– слабоинерционные МП;		– среднеинерционные МП;

		– сильноинерционные МП;		– ультраинерционные МП

изменении температурного режима пород и глубин их сезонного и многолетнего оттаивания в связи со строительством. Всоответствии с предложенной ранее классификацией (Гарагуля, Пармузин, 1980, Пармузин, 1978) по степени проявления и динамике мерзлотные процессы могут быть подразделены на три группы: а) устойчивые - морфологически проявляются весьма слабо; б) упруго-устойчивые - носят сезонный характер, развиваются не прогрессивно, ежегодные отклонения от среднестатистических параметров, характеризующих тот или иной процесс, не приводят к качественным изменениям в их развитии; в) неустойчивые - развиваются прогрессивно. К группе "б" относятся территории, в пределах которых развиваются процессы сезонного пучения и осадки грунтов, криогенное растрескивание, эоловые процессы; к группе "в" - участки развития термокарста, термоэрозии, оползней, солифлюкционного течения грунтов, пучения грунтов при многолетнем промерзании отложений. Приведенная классификация может быть эффективно использована не только для оценки территории по характеру развития процессов в естественных условиях, но и по характеру их развития в условиях, измененных техногенными воздействиями.

На ранних стадиях проектирования, когда еще не определены конкретные параметры сооружений и технологические режимы их эксплуатации, не представляется возможным количественно оценить последствия всех вероятных нарушений естественных природных условий, дающих исходную информацию для прогноза криогенных процессов. Однако можно предположить, что те или иные нарушения (или их совместное влияние) могут привести либо к повышению среднегодовой температуры пород (t_ср) и увеличению мощности сезонноталого слоя (СТС), либо к понижению t_ср и сокращению СТС, либо к инверсии знака t_ср и многолетнему их оттаиванию. Перечисленные последствия нарушений в сочетании с конкретными климатическими, морфологическими, гидрогеологическими условиями, составом, свойствами и макрольдистостью отложений определяют возможность возникновения, интенсификации или затухания криогенных процессов как при естественноисторической динамике природных условий, так и при их изменении в связи со строительством и эксплуатацией сооружений.

Оценивая участки строительства с учетом возможного изменения характера проявления процессов под влиянием указанных изменений температурного режима пород, исходят из того, что в категорию упруго-устойчивых участков включены территории, в пределах которых изменения условий вызывают активизацию или возникновение новых криогенных процессов, быстро достигающих равновесного состояния. Время достижения установившегося режима значительно меньше срока эксплуатации сооружений и соизмеримо с короткопериодными колебаниями температуры воздуха. К категории неустойчивых относятся участки с прогрессивным развитием процессов. Время установления стационарного состояния соизмеримо или превышает срок эксплуатации сооружений. Прогноз вероятности проявления криогенных процессов при последствиях техногенных воздействий проводится на основе существующих количественных методов расчета (Основы мерзлотного прогноза…, 1974, Основы геокриологии, 2001 и др.). Отображение на геолого-генетической карте термодинамического состояния ММП и классификация различных типов ММП по характеру развития криогенных процессов позволяют составить оценочную карту инженерно-геокриологического районирования. Выделенные таким образом территориальные единицы (районы, подрайоны и т. д.) будут отличаться определенными скоростью и глубиной оттаивания мерзлых грунтов при заданных верхних граничных условиях (т. е. заданных температурных режимах на поверхности грунтов при строительстве и эксплуатации сооружений), характером изменения показателей свойств грунтов при тепловом воздействии сооружений (в частности, величиной тепловой осадки), а также особенностью развития криогенных процессов в естественных условиях и при различных вариантах изменения температурного режима грунтов.

Изложенные методические положения апробированы при мелкомасштабном (1:100000) и среднемасштабном (1:25000) оценочном картировании. На рисунке 1.5.1 приведены легенда и макет карты оценочного инженерно-геокриологического (мерзлотно-инженерно-геологического) районирования, составленной в масштабе 1:100000 для одного из северных районов Западной Сибири.

Предложенная методика позволяет производить оценочное районирование по наиболее динамичным параметрам и характеристикам ММП, реакция которых на изменения природных факторов может быть надежно и быстро определена уже на ранних стадиях проектирования, исходя из известных закономерностей формирования и динамики ММП. Так как указанные признаки оценки территории функционально связаны со всеми остальными инженерно-геологическими характеристиками пород, прогноз их изменения позволяет определить возможные изменения инженерно-геологической обстановки в целом. Оценочные карты содержат в себе не только данные, необходимые для прогноза изменения теплового состояния и свойств пород при хозяйственном освоении территории, но и прогнозную оценку развития существующих и возникающих вновь мерзлотных процессов, что необходимо для выбора оптимальных трасс и участков, для разработки технологических режимов строительства и эксплуатации, для решения задач охраны окружающей среды. Исходными данными для составления такой оценочной карты являются инженерно-геокриологическая карта и карта типов сезонного оттаивания и промерзания пород, на которых отражены основные закономерности формирования мерзлотных условий.

Составлению оценочной карты предшествует также инженерно-геокриологическое районирование территории. В данном случае в основу выделения инженерно-геокриологических районов положен генезис и тип промерзания отложений, подрайонов - геоморфологические условия, участков -

Рис. 1.5.1. Макет оценочной карты инженерно-геокриологического районирования: I — инерционность ММП: 1 — низкоинерциоцные ММП; 2, 3 — инерционные ММП; 4,5 — высокоинерционные ММП (степень инерционности возрастает с увеличением порядкового номера градации); II - характер развития ннженерно-геокриологических процессов: 6—устойчивый (преимущественно) и упруго-устойчивый; 7—упруго- устойчивый; 8—неустойчивый; 9—сезонное пучение грунтов; 10—сезонная осадка грунтов; 11—многолетняя осадка грунтов; 12—законсервированные повторно-жильные льды (ПЖЛ); 13—морозобойное растрескивание; 14—растущие ПЖЛ; 15—сплывы сезоннопротаивающих масс грунта; 16—термоэрозия; 17—солифлюкция; 18—термокарст по сегрегационным льдам; 19—термокарст по ПЖЛ; 20—термокарст по пластовым льдам; 21—многолетние бугры пучения; III—тепловая устойчивость ММП (отношение глубины сезонного оттаивания пород к глубине потенциального промерзания - n): 22—n < 0,3, 23—n > 0,3; IV—литологический состав отложений: 24—пески мелкие; 25—пески мелкие мощностью 2—6 , ниже суглинки, супеси, глины; 26—глины, суглинки с маломощными прослоями песков; 27—супеси, суглинки, глины с простоями мелких песков; V — прочие знаки: границы инженерно-геокриологических районов (28); подрайонов (29), участков (30), 31—номер инженерно-геокриологического участка по схеме инженерно-геокриологического районирования

Продолжение рис. 1.5.1.

VI – Схема инженерно-геокриологического районирования (фрагмент)

Инженерно- геокриологические районы и их индекс	Инженерно-гео-криоло-гические подрайоны и их индекс	Инженерно-геокриологические участки и их индекс	Краткая характеристика участков
I. Районы верхнечет-вертичной прибрежно-морской равнины (казанцевской) и морской террасы (зырянской), сложенные осадками, промерзавшими до гл. 3-4 м сингенетически, ниже – эпигене-тически	I-А. Подрайоны плоских неэро-дированных или слабо эродиро-ванных поверх-ностей	I-А-1. Участки сложены в верхней части разреза преимущественно песками, в нижней – суглинками, глинами; отложения до гл. 2-4 м льдистые, ниже слабо-льдистые с глубоко залегающими пластовыми льдами (ГПЛ) I-А-2. Участки сложены песками, иногда в верхней части разреза торфом мощностью от 0,1 до 1,5 м, подстилаются суглинками, глинами; минеральные отложения до гл. 3-4 м льдистые, ниже – слабо-льдистые, с ГПЛ и повторно-жильными льдами (ПЖЛ)	Мелкокочковатый микрорельеф; поверхность незначительно, реже слабо заболочена; среднегодовая температура отложений (t_ср) равна -3…-7⁰С; глубина сезонного протаивания (x) 0,6-1,1 м; развиты пятна-медальоны Трещинно-полигональный и остаточно-полигональный рельеф; поверхность фрагментарно и слабо заболочена, t_ср=-5…-7⁰С, x=0,3-0,6 м; ПЖЛ мощностью до 3 м
I-Б. Подрайоны пологих склонов	I-Б-1. Участки сложены в верхней части разреза песками, ниже — глинами, суглинками, отложения слабольдистые с ГПЛ и близко залегающими пластовыми льдами (БПЛ) I-Б-2. Участки сложены глинами, суглинками с прослоями и линзами песков, отложения сильно-льдистые, БПЛ и ГПЛ	Бугристый микрорельеф, поверхность не значительно заболочена, t_ср= -1…-7⁰С, x=1,0-1,5 м, развиты пятна-медальоны, термоденудационные процессы Бугристый и мелкокочковатый микрорельеф, поверхность не заболочена, реже слабо заболочена; t_ср= -1…-7⁰С, x=1,0-1,5 м, развиты пятна медальоны, термокарст, термоденудационные процессы
II. Районы рас-пространения современных аллювиальных отложений, промерзавших сингенетически	II-А. Подрайоны плоских поверх-нистей совре-менной поймы	II-А-1. Участки сложены супесями, суглинками и песками; отложения льдистые II-А-2. Участки сложены супесями, суглинками, песками, местами перекрытыми маломощным торфом; отложения льдистые	Поверхность сильно заболочена, реже заболоченная и фрагментарно заболоченная; t_ср= -1…-3⁰С, x=0,3-1,5 м Остаточно-полигональный рельеф; поверхность сильно, реже фрагментарно заболочена; t_ср= -1…-3⁰С, x=0,3-0,7 м; ПЖЛ мощностью до 3 м
III. Районы распространения современных озерных отложений	III-А. Подрайоны хасыреев в пределах поймы	III-А-1. Участки сложены оторфованными суглинками, супесями с прослоями мелких песков; отложения сильнольдистые и льдистые III-А-2. Участки сложены оторфованными суглинками, глинами, супесями с прослоями мелких песков; отложения сильнольдистые и льдистые	Поверхность сильно заболочена; t_ср= -3…-7⁰С, x=0,3-0,7 м Поверхность сильно заболочена; t_ср= -3…-7⁰С, x=0,3-0,7 м; ПЖЛ мощностью до 3 м

литологический состав, льдистость пород, наличие повторно-жильных и пластовых льдов. Схема инженерно-геологического районирования является частью оценочной карты (см. таблицу).

Основное изобразительное средство - цвет (в черно-белом варианте - различные виды вертикальной штриховки) на карте отдано характеристике инерционности ММП, т. е. их естественному термодинамическому состоянию. Как было сказано выше по степени инерционности могут быть выделены девять типов ММП. Однако в реальных условиях исследованного участка встречаются только пять из них, что и показано на карте. Степень инерционности указывает на интенсивность, скорость возможного оттаивания ММП в результате строительства и эксплуатации сооружения. При этом прогнозируемая большая (при слабоинерционных ММП) или малая скорость оттаивания пород сама по себе не характеризует качественные изменения инженерно-геокриологических условий. Так, например, слабоинерционные ММП при большой скорости их оттаивания могут быть достаточно надежным основанием, если они имеют небольшую льдистость и незначительно изменяют показатели физико-механических свойств при оттаивании. И наоборот, высокоинерционные ММП, обладающие большой льдистостью, являются ненадежным основанием, несмотря на незначительную скорость образования ореолов и чаш оттаивания. Поэтому на оценочной карте показываются не только степень инерционности, но и характеристики, за счет которых она формируется (т. е. t_ср и i). Льдистость пород при известном литологическом составе уже позволяет судить о поведении и характере изменения свойств ММП в образующихся ореолах оттаивания.

Для всех инженерно-геокриологических участков (номер участка на карте и в легенде соответствует номеру участка в таблице районирования) дана оценка развития различных мерзлотных процессов в естественных условиях и при повышении или понижении среднегодовой температуры пород, увеличении или сокращении мощности СТС, ожидаемых при строительстве. В основу оценки положена предложенная выше классификация. Специальными знаками показаны процессы, развивающиеся по типу устойчивых, упруго-устойчивых и неустойчивых. Внемасштабными знаками в таблице II легенды показаны виды мерзлотных процессов, характерные для каждого конкретного инженерно-геологического участка как в естественных, так и в измененных условиях.

Степень тепловой устойчивости, показанная наклонной штриховкой, определена отношением глубины сезонного оттаивания к глубине потенциального промерзания грунтов. Чем ближе это отношение к единице, тем менее устойчива многолетнемерзлые толщи.

Предлагаемая нагрузка карт является основной, на которую могут быть нанесены другие, немерзлотные характеристики природных условий, имеющие значения для оценки сложности территории при конкретных видах освоения: рельеф местности, характер расчлененности поверхности, обводненность, степень заболоченности и т. д.

Оценочные карты инженерно-геокриологического районирования, составленные по предложенной методике, несут информацию не только о сложности территории в естественных, но и в измененных техногенезом условиях. Это обстоятельство позволяет использовать карты районирования практически при любых видах наземного строительства, целесообразных в данном районе. Карты несут необходимую информацию для выявления участков, требующих проведения мероприятий по охране природной среды при их освоении.

Литература

1. Гарагуля Л.С., Пармузин С.Ю. Методика оценки мерзлотной обстановки для ранних стадий проектирования наземных сооружений. // Инженерная геология. 1982. № 4. С. 89-107.

2. Гарагуля Л.С., Булдович С.Н., Гордеева Г.И., Шаталова Т.Ю. Показатели реакции толщ многолетнемерзлых пород на антропогенные изменения природной среды // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 4. Геология. 2003. № 4. С. 56-63.

3. Гарагуля Л.С., Пармузин С.Ю. Признаки оценки устойчивости территории к изменениям природных факторов и техногенным воздействиям в области вечной мерзлоты // Мерзлотные исследования. Вып. XIX. М.: Изд-во МГУ, 1980. С. 53-59.

4. Жигарев Л.А., Пармузина О.Ю. Оценка энергетической устойчивости мерзлых толщ и ее картирование // Геоэкология севера. М.: Изд-во МГУ, 1992. С. 158-163.

5. Основы геокриологии. Ч. 4. Динамическая геокриология / Под ред. Э.Д. Ершова. М.: Изд-во МГУ, 2001. 688 с.

6. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях / Под ред. В.А. Кудрявцева. М.: Изд-во МГУ, 1974. 431 с.

7. Пармузин С.Ю. Оценка устойчивости природных комплексов к техногенным воздействиям на стадии ТЭО строительства (на примере центрального Ямала) // Инженерные изыскания в строительстве; реф. информ., сер. XV. Вып. 3 (68) М., ЦИНИС. С. 7-11.

8. Пармузин С.Ю., Суходольский С.Е. Опыт районирования территории с сильнольдистыми породами по устойчивости к техногенным воздействиям (на примере Среднего Ямала) // Устойчивость поверхности к техногенным воздействиям в области вечной мерзлоты. Якутск, 1980. С. 108-127.

9. Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст. Новосибирск. "Наука", 1988. 212 с.

10. Чернядьев В.П. Исследование динамики сезонного и многолетнего промерзания-протаивания в условиях Западной Сибири // Труды ПНИИИС. Том II. М:, 1970. С. 6-81.