Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема изучения криогенных процессов и явлений уже на протяжении более века является одной из наиболее острых в теоретической и прикладной геокриологии. Выявлением природы и ycrawod-лением закономерностей развития тех или иных криогенных процессов занимались большинство ведущих ученых-мерзлотоведов мира включая и смежные с геокриологией области знаний такие, как горное дело, дорожное и про-мышленно-гражданское строительство, гидротехническое и гидромелиоративное освоение территорий и др.
Не уменьшая успехов, достигнутых на современном научно-теоретическом и практическом уровне изучения криогенных процессов, следует отметить, что они до настоящего времени относятся к категории наиболее слабоизу-ченных из всей группы экзогенных геологических процессов.
Интенсивное хозяйственное освоение криолитозоны, совремеїшіліт подход к рациональному освоению природных ресурсов требуют глубокого и всестороннего знания причин, особенностей развития криогенных процессов, методов прогноза и управления ими как при естественной эволюции природной обстановки, так и ее изменения в ходе строительства и эксплуатации различных шгженерных сооружений. Следует констатировать, что в подавляющем большинстве случаев деформаций различных инженерных сооружений, построенных как по принципу I, так и по принципу 11 причинами являются отсутствие научно обоснованного прогноза развития криогенных процессов, а в силу этого и неумение целенаправленно управлять ими при хозяйственном освоении территорий. Существующая нормативная литература в данном аспекте направлена на решение узконаправленных, выборочных задач, не исследуя данную проблему всеохватывающе. Объясняется это, в первую очередь, многофакторностью термодинамических систем, которыми являются промерзающие, оттаивающие и мерзлые породы. Многие из исследуемых параметров сложных грунтовых систем или экспериментально неопределимы, или изучение их возможно в, хорошо оснащенных современным оборудованием, лабораториях (энергия Гиббса, термодинамический потенциал грунтовой влаги, удельная поверхность грунта и т.д.).
Наиболее серьезным пробелом в методике изучения криогенных процессов и явлений является отсутствие комплексного подхода, позволяющего получить те или иные физико-механические характеристики грунтов не каких-либо стационарных объектов, а в непрерывно изменяющихся по глубине, во времени и в пространстве термодинамических систем по всем экстенсивным и интенсивным параметрам.
Кроме того, в настоящее время наблюдается, во-первых, существенный разрыв при изучении криогенных процессов и явлений во взаимосвязи между
теорией формирования физико-механических свойств промерзающих, оттаивающих и мерзлых пород с природой протекания индивидуального процесса Во-вторых, отсутствует единый мерзлотно-геологический фундамент, объединяющий и взаимосвязывающий весь комплекс криогенных процессов.
Все вышеизложенное убеждает в том, что изложенное в настоящей работе научно-теоретическое решение проблемы прогноза и управления криогенными процессами при инженерно-хозяйственном освоении криолитозоны, базирующейся на теории теплофизической и физико-химической природы их протекания, является актуальной как в теоретическом, так и научно-практическом отношении.
Исходя из вышеизложенного очевидно, что дальнейшее исследование криолитозоны и, развивающихся в ней криогенных процессов и явлений, невозможно без углубленного изучения и решения целого ряда теоретических и экспериментальных проблем геокриологии. Для этого требуется формирование новых, направлений исследований, обеспечивающих более высокий научный уровень определения теплофизической и физико-химической природы развития криогенных процессов и явлений.
Настоящая диссертационная работа представляет научно-теоретическое v практическое обобщение результатов почти 20-летних исследований криогенных процессов, выполнявшихся по программам АН СССР, МинЦветМет* СССР, Мингеологии РСФСР, программе "Сибирь" и др.
Цель работы. Выявление механизма развития криогенных процессов с еди ных позиций понимания развития в промерзающих, оттаивающих и мерзльп грунтах процессов тепло- и массопереноса, сегрегационного льдонакопления коагуляции, агрегации, набухания и усадки с количественной оценкой их ролі в суммарном деформировании пород и разработка на этой базе прогноза раз вития криогенных процессов и методов управления ими при инженерно-хозяйственном освоении территорий.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следую щие основные задачи:
-обобщить, систематизировать и создать базу данных о развитии, распре странении и прогнозе криогенных процессов, развивающихся в промерзак щих, оттаивающих и мерзлых дисперсных грунтах, находящихся в разли1 ных термодинамических условиях таких, как криогенное пучение промеї зающих и осадка оттаивающих пород; десерпционное и вязкопластическс смещение грунтов на склонах: термоэрозия и термосуффозия;
- разработать методику комплексных полевых исследований развития криогенных процессов на теплофизической и физико-химической основе деформі рования промерзающих, оттаивающих и мерзлых пород в тесной взаимосвя; между собой;
выявить общие причины и основные термодинамические параметры, оп-эеделяющие механизм развития криогенных процессов в грунтах различного состава и свойств в тесной взаимосвязи между собой;
исследовать динамику и закономерности развития криогенных процессов s зависимости от их вещественного состава, условий теплообмена на границе атмосфера-грунт включая применение различных теплоизоляционных, светоотражающих и светопоглощающих покрытий; - разработать методику прогноза и управления криогенными процессами при инженерно-хозяйственном освоении территорий и при различной степени техногенного и естественно-природного изменения геолого-географической обстановки.
Фактический материал, методика исследований и личный вклад автора в решении проблемы. В основу диссертации положены многолетние (с 1978 по н/в) исследования автора по изучению криогенных процессов и явлений в различных регионах Западной Сибири и Забайкалья. Особое внимание уделялось разработке комплексной методики полевых исследований в различных при-родно-геологических, геокриологических, гидрогеологических условиях с созданием искусственных теплоизоляционных, светоотражающих и светопоглощающих покрытий. Только в пределах Забайкалья было создано и детально оборудовано около 100 стационарных наблюдательных полигонов. Непрерывный ряд наблюдений за динамикой криогенных процессов превысил десятилетие. Являясь научным руководителем целого ряда хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ на протяжении 12 лет, выполнявшихся по важнейшей тематике АН СССР, ряда министерств и ведомств, автор возглавлял большую группу сотрудников, проводивших работы в этом направлении. В ходе работы он непосредственно занимался вопросами научно-практического обеспечения исследований, принимал личное участие во всех выполняемых работах. Все теоретические проработки, анализ и обобщение результатов исследований в полном объеме настоящей работы выполнены лично автором.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
с единых термодинамических позиций установлен механизм развития гидротермических криогенных процессов в тесной взаимосвязи между собой и всем комплексом природно-геологической обстановки;
установлена кинетика и закономерности развития криогенных процессов с количественной оценкой всех составляющих факторов в грунтах различного состава, строения и свойств, теплофизических условий промерзания (оттаивания) пород, гидрогеологических факторов в тесной взаимосвязи с процессами теплоти массойереноса, физико-химических и физико-механических процес- -
сов;: - -. " '-."'. . -. " - ' ' :. - - "
-разработаны и предложены новые методикирасчета величин десерпци-онного смещения грунтов на склонах и вязкошіастических деформаций; впер-
разработаны и предложены новые методики расчета величин десерпци-онного смещения грунтов на склонах и вязкопластических деформаций; впервые разработана и предложена расчетная методика оценки величины термоэрозионного размыва грунтов; усовершенствованы аналитические методы расчета величин криогенного пучения промерзающих и осадки оттаивающих пород;
разработана методика прогнозной оценки развития криогенных процессов, произведены расчеты на ЭВМ и составлены номограммы для определения , абсолютных величин проявления того или иного процесса;
впервые на основе выделения классификационных параметров произведено выделение типов пучения и осадки пород, криосолифлюкции и термоэрозии, произведена градация параметров и обоснована характеристика каждого выделяемого типа;
разработаны и предложены научно-практические схемы управления криогенными процессами пород при направленном изменении параметров природ-но-геологической обстановки.
Защищаемые научные положения.
-
Механизм развития криогенных процессов определяется комплексом внутригрунговых теплофизических, физико-химических и физико-механических процессов, которые, в свою очередь, обусловлены различными природно-климатическими и геологическими условиями, неустойчивым термодинамическим состоянием грунтовых систем, их резкой пространственной изменчивостью.
-
Закономерности развития криогенных процессов находятся в тесной взаимосвязи с формированием структурно-прочностных зон в промерзающих, оттаивающих и мерзлых дисперсных грунтах в непрерывной динамике их изменения в ходе криогенного и посткриогенного текстуро- и структуро-образования.
-
Прогноз криогенных процессов, базирующийся на аналитических методах решения задач тепло-массопереноса, позволяет получить не только интегральные величины, но и все составляющие факторы развития процесса при любом техногенном воздействии-на геологическую среду.
4. Типизация криогенных процессов на основе выделения классифика
ционных параметров и их градации позволяет картировать любой иссле
дуемый процесс и управлять им при хозяйственном освоении территории.
Разработанные в диссертации теоретические положения в совокупности
представляют собой решение крупной научной проблемы, имеющей важное
инвроднвне8Йіістевнноеівна/івнііе.; -'--'-/' --"'-"
Достоверность научных положений .выводов й рекомендаций диссертации обоснована: . "'"__ ; _ .-_-'_-"
показателями корреляции результатов теоретических и экспериментальных исследований;
высокой сходимостью результатов математического моделирования и аналитических исследований с результатами экспериментальных наблюений;
внедрением теоретических выводов и научно-практических рекомендаций результатов исследований на ряде предприятий;
широкой апробацией теоретических разработок на конференциях и совещаниях, в учебных, научно-исследовательских и проектных институтах.
Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. Разработанная методика количественного прогноза развития криогенных процессов в зависимости от естественно-эволюционного и техногенного изменения природной обстановки и созданная на этой базе схема управления мерзлотными процессами имеют непосредственное практическое применение при проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений в зоне распространения многолетнемерзлых пород. Типизация же криогенных процессов служит основой как для краткосрочного, так и долгосрочного прогнозов при решении вопросов рационального природоиспользования криолитозоны и экологической защиты территорий.
Результаты исследований по теме диссертации использованы в виде научно-исследовательских отчетов, карт, прогнозных схем и практических рекомендаций в ПГО "Читагеология", Гипроцветмете, МосГИПРОТРАНСе, "Читаэнерго", БАМ ж/д и др. организациях.
Кроме того, результаты исследований внедрены в ЗабТИСИЗе, ВостСиб-ТИСИЗе, Орловском ГОКе. Экономический эффект от внедрения всего комплекса научных разработок составил более 10 млн.руб в ценах первого квартала 1992 г (внедрения по типовой межведомственной форме N Р-10, утвержденной приказом ЦСУ СССР от 30 июня 1982 г N380).
Методические, теоретические и научно-прикладные положения диссертации используются в учебном процессе по дисциплинам: "Общая геокриология", "Физика, химия и механика мерзлых грунтов", "Инженерная геокриология", "Инженерная геодинамика" и др. в Читинском государственном техническом университете. По результатам научных исследований опубликовано учебное пособие: "Прогноз криогенных процессов при инженерно-геологических изысканях".
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной конференции по строи
тельству на вечномерзлых грунтах, Амдерма, 1979; Всесоюзном совещании-
семинаре, Москва^ 1981;Всесоюзном"срвещании"Опьггстроительства основа- \
-нии и фундаментов^ на вечномерзлых" грунтах", Воркута, 1981; на Междуве- - .
домственном cobvgfir54 . .''-."'__''.'_" -'_-"
домственном совещании "Геокриологический прогноз в осваиваемых районах крайнего Севера"; Москва, 1982; на Всесоюзной конференции по эффективности изысканий для строительстваДкшень, 1981,1983; Всесоюзной конференции "Проблемы инженерной геологии в связи с промышленно-гражданским строительством и разработкой месторождений полезных ископаемых", Свердловск, 1984; Всесоюзной научной конференции "Геокриологические проблемы Забайкалья", Чита, 1984; на Всесоюзном совещании "Геокриологический прогноз при строительном освоении территории", Москва, 1985; на расширенных заседаниях Научного Совета по криологии Земли, Москва, 1985,1986,1987; на Всесоюзной научно-практической конференции "Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты", Благовещенск, 1986; на Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы инженерно-геологических изысканий в криолитозоне", Магадан, 1989; на Международной конференции "Защита инженерных сооружений от морозного пучения", Чита, 1993; на Первой конференции геокриологов России, Москва, 1996; на региональных научно-практических конференциях "Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья", Чита, 1981, 1987, 1990; на научно-практических совещаниях, Чита, 1984,1985, 1987, 1989; на Всесоюзных научно-практических совещаниях "Инженерно-геокриологический мониторинг земполотна трассы БАМ, Тында", 1990,1991,1992; на многих межвузовских конференциях и семинарах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 61 работа, в том числе 1 учебное пособие и отдельные разделы в двух монографиях; получено автор-ч.ско&свидеа:ельсгво.нз.нзобретвние.и.патент,на.шобреіещіе.
Структура и объем работы . Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и содержит 298 страниц машинописного текста, который сопровождается рисунками, таблицами и списком литературы из 327 наименований.
