Введение к работе
Актуальность темы. Развитие производительных сил СССР характеризуется интенсивным освоением природных богатств Севера и Северо-Востока страны. Строительство крупных промышленных сооружений и, в частности - гидротехнических, в условиях практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород предъявляет особо высокие требованиям к надежности инженерно-геокриологического обоснования проектов, разработке методов контроля и прогноза изменений инженерно-геологических условий в период строительства и эксплуатации сооружений. От суммарной пористости, размеров и льдонасшденности поровых каналов, интегральными характеристиками которых являются гидродинамические свойства пористых сред,зависит механическая прочность и противофильтрационная устойчивость мерзлых, промерзающих и протаивающих пород. Термодинамические параметры газовой фазы в поровом пространстве многолетнемерзлых пород являются отражением климатических изменений, геомеханических процессов в массиве, сукцессии растительного покрова, поэтому изучение динамики поровых давлении позволяет уточнить условия промерзания эпигенетических мерзлых толщ и преобразования верхних горизонтов ММП в голоцене. Исследования процессов фильтрации газов в крупнообломочных техногенных отложений,упорных призмах каменно-набросных плотин, представляет значительный практический интерес в связи с возможностью контроля интенсивности вторичного льдообразования в массиве с помощью газодинамических исследований.
Исследования фильтрационной проницаемости вечномерзлых грунтов были предусмотрены программами Государственного Комитета СССР по науке и технике по решению важнейших научно-технических проблем в области энергетического строительства: "Исследование массообменных процессов в крупнообломочных и трещиноватых мерзлых породах в районе сооружений Вилюйско-
го гидроузла" (задания 0.55.08.02.01 СД1а,О.55.ОШ201.СД5аЗ) и "Изучение техногенных изменений инженерно-геокриологических условий района р.Вилюй в связи со строительством гидроузлов" (задание 0.55.08.02.01.НІ) и в числе важнейших были включены в программу "Сибирь" (тема 3.7.2.7).
Цель диссертационной работы - разработка дистанционных
методов исследования строения, фильтрационных свойств и лъдо-насыщенности вечномерзлых пород, основанных на изучении реакции массива МШ на изменение во времени термодинамических параметров метеорологических полей (давления,температуры и плотности воздуха в приземном слое).
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач: выявить характер взаимосвязи мезду структурно-геометрическими характеристиками и гидродинамическими свойствами зернистых и сцементированных горных пород; разработать методику и технические средства изучения динамики внуг-рипоровых давлений в массиве и расходов газа через поверхность фильтрукщего массива при сверхмалых перепадах давления на границах исследуемой области, Др 0,01Рд (Рд - атмосферное давление); на аналоговых электролитических моделях исследовать влияние конструкции пакерируюших устройств на распределение внутрискважинных давлений; выполнить с помощью ЗВМ моделирование температурных полей в массиве МШ в зоне влияния внешних тепловых источников с целью построения полей потенциалов пародиффузионного влагопереноса; выявить закономерности изменения проницаемости многолетнемерзлых пород во времени и пространстве; обобщить и систематизировать результаты исследований водо- и газопроницаемости криогенных сред.
Методика исследований. Основным методом исследований являлся крупномасштабных эксперимент в натурных условиях на грунтовых блоках объемом 10-10 м3. Исследования проводились пассивным способом, заключавшемся в изучении реакции массива (температуры, внутрипорового давления,удельного расхода газа) на изменение внешних условии (температуры и давления воздуха в приземном слое). При анализе полученных результатов широко использовались представления и методы гидромеханики пористых сред, криолигологии, инженерной геологии, гидрогеологии, математической статистики. Обоснование научных положений выполнялось с привлечением методов численного и факторного анализа, аналогового моделирования,результатов лабораторных и натурных наблюдений.
Научная новизна. Автором разработано и теоретически обосновано новое перспективное направление в мерзлотоведении, в основе которого лежит изучение .механического взаимодействия внутрипорового воздуха, содержащегося в мерзлых породах,
о атмосферным в приземном слое.
-
Разработан дистанционный метод изучения процессов вторичного (сублимационного и инфильтрационного) льдообразования в мерзлых, промерзающих и оттаивающих породах.
-
Обоснована применимость и разработана методика газодинамических исследований ввчномерзлых грунтов в естественных и техногенных массивах, основанная на изучении закономерностей распространения колебаний атмосферного'давления в массиве
ммп,
-
Установлено наличие мощных, протяженных по площади,высокопроницаемых зон в эпигенетических многолетнемерзлых породах на водоразделах и склонах речных долин. Предложена гипотеза их формирования.
-
Выявлена количественная зависимость интенсивности инфильтрационного стока в крупнообломочныв породы от среднегодовой температуры грунта, позволяющая прогнозировать геотермические характеристики и скорость роста лъдогрунтового тела в упорных призмах каменно-набросных плотин, насыпях, склоновых коллювиалышх отложениях.
Практическая значимость работы заключается в возможности: существенного уточнения структурно-геологической модели массива с помощью разработанных методов; повышения точности расчетов температурного реяша каменно-набросных плотин с учетом всех определяющих факторов и, в частности - инфильтрацноняого льдообразования; осуществления непрямого контроля за интенсивностью вторичного льдообразования в крупнообломочных породах; использования (выявленных с помощью разработанных способов) систем взаимосвязанных пустот в массиве МЖ в качестве промежуточных хранилищ загрязненных промышленных стоков и засоленных дренажных вод.
Результаты исследования использованы при построении инженерно-геологической модели массива в районе сооружений Бнлюй-ского гидроузла, разработке рекомендаций по проектированию, строительству и эксплуатации гидротехнических сооружений Западной Якутии, экономический эффект от внедрения которых составил около 1,5 млн.руб. Перечень актов внедрения прилагается к диссертации.
Личный вклад автора. В основу диссертации положены результаты многолетних экспериментальных исследований, полученные в
197 2-1989 гг. лично автором или под его руководством и при непосредственном участии в Западной Якутии на стационарах "Вилюйская1 ГЭС (техногенный массив), "Мояков-Суола" (водораздельный участок, естественные условия), "Вилюйская ГЭС-3" (долина р.Вилюй в районе створа ВГЭС-3). Кроме того, при подготовке диссертации использовались материалы исследований автора в Северной Якутии (район п.Кулар), Северо-Западной Якутии (район п.Айхал), на севере Иркутской области (п.Крогот-кинский).
Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались на всесоюзных и международных совещаниях, конференциях и семинарах: Гидротехника Крайнего Севе-ра-76, Красноярск, 1976; Гидротехническое строительство в районах вечной мерзлоты, Красноярск, 1978; годичной сессии Научного Совета по криологии Земли, Москва, 1982; То же,1988; Геокриологический прогноз в осваиваемых районах Крайнего Севера, Москва, 1982; Исследование состава, строения и свойств мерзлых, промерзающих и оттаивающих пород с целью наиболее рационального проектирования и строительства, М., 1981 г.; Аккумуляция зимнего холода в горных породах и его использование в народном хозяйстве, Пермь, 1981; Развитие производительных, сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса, Якутск, 1985 г.; Влияние ГЭС на окружающую среду в условиях Крайнего Севера, Якутск, 1985; Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты, Благовещенск,1986; Инженерное мерзлотоведение в гидротехнике, М., 1988; Четвертой, Эдмонтон, 1983 и Пятой международной конференции по мерзлотоведению, Тронхейм, 1988.
Публикации. По теме диссертации опубликована 41 работа, в том числе - 3 монографии, написанные в соавторстве, 2 статьи, изданные за рубежом.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем работы страниц, иллюстраций - 80, таблиц - 40, список использованной литературы -307 наименований.
Выполнение данной работы оказалось возможным благодаря самоотверже'шому труду в экстремальных условиях сотрудников Института мерзлотоведения СО АН СССР - А.К.Донченко, Н.А.Пра-восудова, Е.Ю.Калинычевой, Л.А.Олозиной, В.Г.Ивачевой.А.И.Ма-
лашкина, Т.Ф.Сидоровой и организационно-технической помощи . со стороны А.М.Снегирева и Ю.А.Даниловича. Улучшении содержания работы во многом способствовали советы и замечания Р.М.Каменского, К.Ф.Войтковского, Г.Ы.Фельдмана, Э.А.Бондарева, Г.Ф.Биянова. Написанием настоящей работы автор обязан П.И.Мельникову, постоянное внимание и поддержка со стороны которого способствовали успешному проведению исследований.