Оценка эффективности управления инженерно- геологическими процессами по результатам

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--1991 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

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--1991) 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.