Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Роль естественных факторов в формировании надмерзлотных вод на территории г. Якутска 9
1.1. Особенности рельефа 9
1.2. Общая характеристика климата 12
1.3. Геологическое строение 17
1.4. Геокриологические условия 23
1.5. Поверхностные воды 28
1.6. Гидрогеологические условия 33
Глава 2. Оценка техногенного влияния на обводненность и гидрохимическую обстановку урбанизированных территорий 42
2.1. Причины и источники обводнения и подтопления городских территорий криолитозоны 44
2.2. Роль техногенных барражей в формировании гидрохимической обстановки урбанизированных территорий 46
Глава 3 Методика проведения гидрогеологических исследований 51
Глава 4. Особенности режима надмерзлотных вод в условиях современных колебаний климата на участках с разной степенью нарушенности в г. Якутске 55
4.1 История изучения надмерзлотных вод на урбанизированных территориях криолитозоны 55
4.2. Условия формирования и режим надмерзлотных вод сезонноталого слоя на территории г. Якутска 59
4.3. Динамика надмерзлотных и межмерзлотных грунтовых вод на слабонарушенных участках 65
4.4. Эволюция геокриологической обстановки на участках многоярусного развития надмерзлотных и межмерзлотных криопэгов 72
Глава 5. Изучение фильтрационных свойств обводненных грунтов и оценка эффективности дренажных систем для осушения урбанизированных территорий 82
5.1. Обзор существующих методов и подходов к разработке защиты города от подтопления 83
5.2. Результаты опытно-фильтрационных работ на проблемных участках 86
5.2.1. Фильтрационные свойства грунтов сезонноталого слоя и результаты опробования траншейного дренажа с водоприемным колодцем 88
5.2.2. Особенности фильтрационных свойств засоленных грунтов, насыщенных криопэгами 90
5.2.3. Фильтрационные свойства грунтов на участках существования глубоких таликов и оценка эффективности скважинного дренажа
5.3. Причины сезонной изменчивости коэффициентов фильтрации грунтов 100
5.4. Изменение мерзлотно-гидрогеологических условий на участках строительства крупных зданий при инженерной подготовке грунтов 104
Заключение 110
Библиографический список
- Геокриологические условия
- Роль техногенных барражей в формировании гидрохимической обстановки урбанизированных территорий
- История изучения надмерзлотных вод на урбанизированных территориях криолитозоны
- Фильтрационные свойства грунтов сезонноталого слоя и результаты опробования траншейного дренажа с водоприемным колодцем
Введение к работе
Актуальность данной работы заключается в том, что объект ее исследований представлен надмерзлотными водами небольшой, но веками осваиваемой человеком территории, которая отличается сплошным распространением многолетнемерзлых горных пород, имеет суровый климат и целиком располагается в границах муниципального образования «Город Якутск», где в настоящее время широко развернуто строительство различных промышленных и гражданских сооружений.
Данные о распространении и закономерностях формирования, а также о химическом составе надмерзлотных и межмерзлотных вод криоли-тозоны имеют первостепенное значение для оценки мерзлотно-гидрогео-логических условий, влияющих на устойчивость зданий и сооружений. Эти же данные важны для понимания экологического состояния городской среды и протекающих в ней негативных процессов подтопления и заболачивания криогенных экосистем. Так, аварийные ситуации, связанные с наличием техногенных обводненных таликов в грунтах оснований, отмечены в г. Якутске. Известны случаи суффозионного выноса частиц грунта оснований из-за повышения уровня рассматриваемых подземных вод на территории криолитозоны в г. Чите (Верхотуров, 2015). Отдельные здания и сооружения г. Магадана деформируются в связи с образованием надмерзлотной верховодки в летний сезон и при промерзании ее зимой (Гулый, Рожелевский, 2011).
Изучение условий формирования и распространения надмерзлотных и межмерзлотных вод, а также их химического состава на территории г. Якутска в 1984 – 2016 гг. проводилось сотрудниками Института мерзлотоведения. Под руководством В. В. Шепелёва здесь были проведены работы, по результатам которых выявлено, что водам сезонноталого ( сезоннопротаивающего) слоя принадлежит основная роль в подтоплении грунтов, а их гидродинамический режим на разных участках имеет свои особенности и зависит от комплекса факторов.
Исследования надмерзлотных и межмерзлотных вод, включая крио-пэги, в г. Якутске и на прилегающей территории в 60-е гг. ХХ в. велись по инициативе Н. П. Анисимовой. Ею были выявлены природные и техногенные факторы, которые способствуют формированию подземных вод высокой минерализации в долине Туймаада, установлены особеннос ти их динамики. В то же время и позже надмерзлотные воды на строительных площадках г. Якутска изучались геологами Якутской поисково-
съемочной экспедиции, ЯкутТИСИЗа, сотрудниками научно-внедренческого центра «Геотехнология» и других организаций.
Цель этой работы – выявление основных закономерностей режима надмерзлотных и межмерзлотных вод с изучением фильтрационных свойств водовмещающих грунтов по данным многолетних наблюдений и экспериментальных работ на урбанизированной территории криоли-тозоны.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-
провести аналитическую обработку и обобщение материалов многолетних (1984 – 2016 гг.) мониторинговых исследований различных подтипов надмерзлотных и межмерзлотных вод, включая криопэги, в долине Туймаада;
-
выявить техногенные факторы, вызывающие изменения мерзлотно-гидрогеологической обстановки на территории города Якутска;
-
определить особенности гидрогеологического режима надмерз-лотных вод в годовом и многолетнем циклах;
-
исследовать геофильтрационные параметры водовмещающих грунтов на типовых проблемных участках;
-
оценить опыт технической мелиорации обводненных грунтов и возможность применения различных видов дренажей при строительном освоении территории.
Материалы, положенные в основу работы, были получены в 1984 – 2016 годах коллективом Института мерзлотоведения СО РАН. В 2009 – 2016 гг. автор входила в состав этого коллектива и принимала участие в реализации ряда разделов фундаментальных НИР. К ним относятся: проект № 7.10.2 «Состояние, строение и изменения криосферы: кри-огенез и его воздействие на природные и техногенные геосистемы» программы 7.10.2.5 «Исследование состояния и тенденций развития крио генных ландшафтов при изменениях климата, гидрогеологических условий и антропогенных воздействиях» и проект № VIII.69.2.1 «Комплексные исследования эволюции криогенных ландшафтов Восточной Сибири в позднем плейстоцене и голоцене», являющийся составной частью Программы НИР VIII.69.2.1 «Формирование и эволюция ландшафтов Сибири в плейстоцене и голоцене». К тем же разделам принадлежит проект НИР № 1.9.21 «Разработка и экспериментальное опробование новых конструктивных систем дренирования надмерзлотного и ливневого стока на инженерных объектах РС (Я)» 2009 – 2011 годов, который вы-
полнялся совместно с Научно-внедренческим центром « Геотехнология» при поддержке Минстроя РС (Я), а также проект РФФИ № 15-45-05050 « Экспериментальные исследования формирования и эволюции техногенных криопэгов на урбанизированной территории криолитозоны в Центральной Якутии» 2015 – 2016 годов.
Научная новизна работы. В результате проведенной работы впервые было сделано следующее:
-
выявлены основные факторы, которые определяют интенсивность подтопления и заболачивания отдельных исследуемых участков урбанизированной территории криолитозоны. Дана оценка роли искусственных барражей (преград) в формировании поверхностного и надмерзлотного стока, а также в изменении химического состава надмерзлотных вод;
-
в полевых условиях определены фильтрационные свойства дисперсных отложений, насыщенных криопэгами, охарактеризована сезонная изменчивость фильтрационных параметров этих отложений;
-
установлено, что наблюдаемые в настоящее время климатические изменения и современные техногенные преобразования криогенных экосистем определяют состояние мерзлотно-гидрогеологичес-кой обстановки в муниципальном образовании «Город Якутск».
Основные защищаемые положения диссертационной работы:
-
Развитие процессов подтопления и заболачивания почв является следствием барражирования поверхностного и подземного над-мерзлотного стока и приводит к изменению мерзлотно-гидрогео-логических и геохимических условий на урбанизированных территориях криолитозоны.
-
В условиях современных колебаний климата преобразование мерз-лотно-гидрогеологической обстановки в местах ярусного залегания криопэгов сопровождается улучшением гидравлической связи подземных вод, залегающих на разных глубинах исследуемой территории. При этом ее слабонарушенные участки характеризуются промерзанием маломощных таликов.
-
Выявленная внутригодовая изменчивость фильтрационных свойств водовмещающих грунтов обусловлена процессами их сезонного промерзания и оттаивания и зависит от литологическо-го состава водовмещающих отложений. Доказана возможность
применения вертикальных дренажей для осушения надмерзлот-ных таликов при строительном освоении территории со сложными геокриологическими и гидрогеологическими условиями.
Практическая значимость. Полученные результаты исследований могут быть использованы при прогнозе изменения мерзлотно-гидрогео-логических и инженерно-геологических условий на урбанизированных территориях криолитозоны, проведении инженерно-защитных работ, в частности при обосновании дренажных систем на обводненных площадях и участках развития надмерзлотных грунтовых вод.
Личный вклад автора. Автор принимала непосредственное участие в проведении режимных гидрогеохимических, мерзлотно-гидрогеологи-ческих исследований, опытно-фильтрационных опробований с 2009 по 2016 гг. на экспериментальных полигонах территории г. Якутска, проводила отбор образцов проб грунта и воды при проходке буровых скважин, осуществляла анализ, обработку и обобщение новых и ранее полученных данных по теме исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены автором на 6 международных (Москва, 2010; Салехард, 2012; Якутск, 2014, 2015, 2016; Томск, 2013) и 5 всероссийских (Санкт-Петербург, 2013; Якутск, 2010, 2011, 2013; Владивосток, 2015) конференциях. По теме научной работы опубликовано 17 работ, в том числе 4 – в журналах, рекомендуемых ВАК.
Благодарности. Автор выражает особую признательность своему научному руководителю к.г.-м.н. Н. А. Павловой за выбор тематики исследований, постоянное внимание и требовательность к работе. В ходе исследований автор пользовался советами и рекомендациями д.г.-м.н., профессора, академика АН РС (Я) В. В. Шепелёва, д.г.-м.н. М. Н. Железняка, д.г.-м.н. В. Б. Спектора, профессора, д.т.н. Д. М. Шестернёва, д.г.н. В. В. Куницкого. Им, а также всему коллективу лаборатории подземных вод и геохимии криолитозоны и сотрудникам других лабораторий Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН автор выражает огромную благодарность.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем ее составляет 128 страниц машинописного текста, включая 25 графических иллюстраций, 7 таблиц, и списка литературы из 130 наименований.
Геокриологические условия
Город Якутск находится в пределах древней аллювиальной равнины Центрально-Якутской низменности, абсолютные отметки которой изменяются от 80 до 300 м [Пармузин, 1964].
Рельеф оказывает существенное влияние на условия формирования водообмена, определяя минерализацию и химический состав поверхностных и надмерзлотных вод. От степени его расчленённости зависят объем поверхностного стока и дренированность надмерзлотных вод. Территория г. Якутска является частью долины Туймаады, сформированной аккумулятивными и эрозионно-аккумулятивными процессами [Соловьев, 1959, Иванов, 1984]. Основным рельефообразующим элементом является р. Лена с ее притоками, старицами, протоками и старичными озерами. Ширина долины Туймаады изменяется от 5 до 15 км, протяженность по течению реки около 80 км. По внешнему облику рельеф ее равнинный, по отношению к уровню океана – низменный, по глубине расчленения – от мелкорасчлененного (менее 2,5 м на пойме) до среднерасчлененного (2-5 м на надпойменных террасах), по густоте расчленения - слаборасчлененный.
Большинство исследователей на рассматриваемой территории выделяют у р. Лены пойму и две низкие (якутская и сергелляхская) надпойменные террасы [Соловьев, 1959; Камалетдинов, 1982; Иванов, 1984]. По последним данным на основании аналитических исследований литологического и палинологического материала В.В. Спектор, Н.Т. Бакулина и В.Б. Спектор (2008) предлагают считать якутскую и сергелляхскую надпойменные террасы одним геоморфологическим уровнем, что подтверждается их одновозрастностью и эволюцией.
Для поймы р. Лены характерна ровная субгоризонтальная поверхность с узкими траншееобразными старичными понижениями, приуроченными к водотокам. Абсолютные отметки рельефа колеблются от 85 до 94 м. Отложения поймы голоценового возраста представлены песками, галечниками, супесями и суглинками с прослоями торфа [Роман и др., 2008]. Мощность этих отложений достигает 25 м, они отличаются высокой обводненностью.
Низкая надпойменная терраса р. Лены относится к аккумулятивному типу. За пределами урбанизированной территории ее рельеф наследует пойменные сегментно-гривистые формы с прирусловыми валами и разделяющими их понижениями. Абсолютные отметки колеблются в среднем от 94 до 102 метров. Гривы имеют высоту 2-4 м и ширину 10-15 м и сменяются межгривными понижениями шириной до 5-10 м. Последние осложнены криогенными формами рельефа, представленными сезонными буграми пучения, морозобойными трещинами, иногда встречаются булгунняхи высотой до 10 м [Еловская, Коносавский, Савинов и др., 1966; Босиков, Васильев, Федоров и др., 1985]. Булгунняхи (пинго) многолетние бугры пучения могут являются показателем затрудненного стока в области развития многолетнемерзлых пород.. Булгунняхи широко встречаются на севере Западной и Восточной Сибири, на Аляске и Канаде в днищах промерзающих аласов, на месте спущенных термокарстовых или старичных озер. При изучении бугров в основном обращают внимание на их литологическое строение, расположение относительно водоемов, возраст и стадию развития, температуру грунтов в ядре булгунняхов (William et all, 1968; Гасанов, 1981; Mackay, 1998; Васильчук и др., 2014, Васильчук, 2012).
Надпойменная терраса сложена дриас-голоценовыми аллювиальными отложениями мощностью до 30-35 м [Спектор и др., 2008; Спектор и др., 2016]. Основная масса аллювия представлена песками, зернистость которых уменьшается вверх по разрезу. Сверху они перекрыты супесями, суглинками (иногда с прослоями торфа). Лессовидные суглинки являются материнскими породами для почв аллювиальной равнины четвертичного возраста, именно здесь распространены засоленные почвы. Вдоль тылового шва террасы развиты озера-старицы серповидной формы, некогда имевшие связь друг с другом: Ытык-Кель, Хатынг-Юрях, Белое и др. Кроме перечисленных озер на территории г. Якутска наиболее крупными водоемами являются озера - старицы Сайсары, Талое, Хомустах и другие. Озерные и озерно-болотные отложения голоценового возраста под ними имеют мощность до 15 м и представлены, главным образом, супесями, суглинками, илами, глинами, торфом, реже песками.
На освоенной части долины Туймаады рельеф террасы существенно отличается от естественного. Связано это с искусственным выравниванием территории при строительстве зданий и сооружений, прокладке подземных трубопроводов различного назначения. Например, в прошедшем веке на территорию г. Якутска было завезено около 80 миллионов кубометров различного грунта [Павлова, Данзанова, Сериков, 2014]. Хаотичная засыпка озерных котловин и заболоченных низин под строительные площадки обусловили ухудшение и без того слабого поверхностного и надмерзлотного стока внутри городских кварталов, что вызвало подтопление и образование термопросадок в старых районах застройки. Прокладка автодорог, эксплуатация городских подземных коммуникаций привели к существенному изменению температурного и влажностного режима грунтов, в результате чего произошла активизация просадочных явлений и образование термокарстовых водоемов вдоль дорог. Интенсивность проседания дна отдельных таких водоемов в г. Якутске за счет термоэрозионных процессов достигает 2-4 см в год [Шепелёв, 2011].
Роль техногенных барражей в формировании гидрохимической обстановки урбанизированных территорий
Отмечаемое в последние десятилетия повышение обводнения территории г. Якутска отражается в увеличении площади застойных водоемов, способствует концентрированию в них и в грунтах деятельного слоя различных солей, что в конечном итоге сказывается на устойчивость грунтов оснований. Одним из техногенных факторов повышения обводнения может рассматриваться наличие культурного слоя, мощность которого в отдельных районах города изменяется в среднем от 2,5 до 4,0 м [Syromyatnikov, 2014]. Различные возраст, литологический состав и степень уплотненности этого слоя существенно осложняет водопропускную способность грунтов, обусловливая накопление солей в подземных водах.
Немаловажную роль в увеличении обводненности территории г. Якутска играют утечки из различных тепло-водокоммуникаций. Эти утечки являются дополнительным источником питания надмерзлотных горизонтов, и фактором повышения засоленности пород и минерализации подземных вод [Чистотинова, 1963; Макаров, 1995, Анисимова, 1986]. Техногенные наледи, формирующиеся в местах аварийных утечек, аккумулируют до 40-200 % от суммы зимних осадков, а их минерализация может достигать 1,5 г/дм3. При таянии техногенных наледей подвижные ионы (сульфаты и хлориды) мигрируют в породах сезонноталого слоя, существенно повышая засоленность последних, что усложняет инженерно-геологические условия освоенных территорий [Курчатова, 1996].
Освоение городских территорий сопровождается многочисленными подсыпками, устройством подземных коммуникаций различного назначения, строительством дорог и т.д. В г. Якутске возведение инженерных объектов способствует барражированию естественного стока и резко ухудшает условия дренированности территории. Возникновение дамб в городе происходило и происходит без инженерно– технического обоснования и, как следствие, эти дамбы не контролируемые, разрастаются, усугубляя неблагоприятную гидрологическую обстановку.
Наиболее выражено их барражный эффект проявляется вдоль дорог. Не учтенные при проектировании глухие дамбы, состоящие в основном из многослойного асфальта, погребённых разрушенных лотков и строительного мусора, а также мерзлотные завесы, формирующиеся в результате сильного охлаждения грунтов под дорогами, затрудняют сток поверхностных и надмерзлотных вод в естественные дрены. Процессы испарения и криогенного концентрирования растворенных веществ в воде в условиях застойного водообмена, приводят к формированию высокой засоленности пород и поровых растворов, которая может быть сопоставима с поступлением загрязнений вредного производства [Анисимова, Павлова, 2000].
Своеобразный барражный эффект имеют подземные коммуникации. Линейные талики, формирующиеся при протаивании сильнольдистых многолетнемерзлых пород под тепловыделяющими трубопроводами, являются коллекторами поверхностных и надмерзлотных вод. На начальной стадии формирования чаши протаивания наблюдается оседание поверхности земли и ее заболачивание. В последующем этот участок становится зоной разгрузки надмерзлотных вод сезонноталого слоя с прилегающей площади. В условиях гидравлически замкнутой системы происходит диффузия ионов хорошо растворимых солей из порового раствора грунтов сезонноталого слоя в подстилающие многолетнемерзлые породы. Концентрирование химических элементов в конечном итоге может привести к формированию линзы криопэгов под трубопроводом [Павлова, 2010]. 2.2. Роль техногенных барражей в формировании гидрохимической обстановки урбанизированных территорий
По данным дешифрирования космоснимков 2009-2010 гг. на территории города выделено около 180 мест барража (рис. 2), т.е. техногенного перегораживания стока. Практически на каждом из них происходит подпруживание поверхностного стока: увеличение площади зеркала воды наблюдается на участках с более высокими гипсометрическими отметками и осушение ниже расположенных площадей. Следствием искусственного преграждения поверхностного стока является нарушение условий водообмена, которое в свою очередь влечет за собой изменение режима надмерзлотных вод и вмещающих х грунтов.
Рисунок 2. Схема расположения точек потенциального барражирования стока на территории г. Якутска, преграждающих поверхностный сток и формирующих заболоченные участки [Павлова, Данзанова, Сериков, 2014]. Для выявления роли дорожных насыпей в формировании стока и гидрохимической обстановки в отдельные годы в период 1994-2010 гг. на территории одного из кварталов г. Якутска проводилось опробование поверхностных и надмерзлотных вод по единой методике. Пробы воды отбирались из всех мелких водоемов и луж три раза в год: в мае сразу после схода снежного покрова, в июне и в конце сентября. Для опробования надмерзлотных вод в октябре и апреле бурились неглубокие (4-6 м) скважины.
Минимальные концентрации растворенных компонентов были характерны для талых снеговых вод, пробы которых отбирались на более возвышенной территории в пределах лесной незагрязненной площади. Их минерализация в мае составляет 0,05-0,20 г/дм3 и гидрокарбонатный натриевый тип засоленности. В последующие летние месяцы скоплений поверхностных вод здесь не наблюдалось. Точки с максимальными значениями минерализации воды, увеличивающимися в течение лета от 0,4-0,8 г/дм3 в мае до 4-6 г/дм3 в сентябре, расположены вблизи пересечения дорог. Обогащенные сульфатами и хлоридами поверхностные воды стекают с водосборной площади и концентрируются в условиях замкнутой системы. Зимой при полном промерзании воды ионы хлора мигрируют в подстилающие породы.
О значительной засоленности грунтов на участках техногенного барражирования поверхностного стока, и, возможно, формировании криопэгов, можно судить по материалам проведенных исследований на ключевых участках.
На первом участке («Склон») имеются две скважины. Одна скважина (скв. 3) расположена вблизи дороги, препятствующей естественному стоку в близрасположенный водоем. При бурении в апреле вскрыты талые грунты с глубины 1,7 м, в интервале 3,3-4,8 м - обводненные (рис. 3). Вода в талике имела следующий химический состав:
История изучения надмерзлотных вод на урбанизированных территориях криолитозоны
Первые исследования подземных вод на территории Центральной Якутии были изложены в отчете «Гидрогеологические исследования в районе г. Якутска» в 1939-1942 гг. Были представлены данные о наличии источников подземных вод в окрестностях Якутска и близлежащих районов, а также результаты бурения первой гидрогеологической скважины на территории города и ее опробование. В дальнейшем до конца 60-х годов прошлого столетия целенаправленных наблюдений за надмерзлотными водам в г. Якутске фактически не проводилось. На наличие надмерзлотных вод в грунтах г. Якутска обратили внимание с 70-х годов. Это было связано с обследованием ряда аварийных каменных зданий г. Якутска и выяснением причин их деформаций. Как выяснилось, одной из главных причин нарушения устойчивости инженерных сооружений является техногенное нарушение мерзлотно-гидрогеологических условий грунтов оснований, приводящее к увеличению обводненности сезонноталого слоя вплоть до формирования техногенных таликов.
В отдельные годы геологами Якутской поисково-съемочной экспедиции проводились наблюдения за режимом надмерзлотных вод в рамках мониторинга экзогенных процессов [Ним, Федоров, 1989]. Различными изыскательскими организациями на строительных площадках г. Якутска вскрывались подземные воды, в отдельных отчетах приводятся результаты их гидрохимического опробования [Попенко, 1997; Роман и др., 2008].
Детальные исследования особенностей естественного режима надмерзлотных вод в Центральной Якутии проводились сотрудниками лаборатории подземных вод Института мерзлотоведения СО РАН [Шепелёв, 1972, 1975, 1978, 2010; Анисимова, 1971, 1981, 1992; Бойцов, 1985, 1989]. Наиболее длительные наблюдения за условиями формирования надмерзлотных вод сезонноталого слоя и надмерзлотных грунтовых вод в естественных условиях были проведены в бассейне р. Шестаковки на Чабыдинском полигоне Института мерзлотоведения СО РАН. Обстоятельное обобщение результатов этих исследований представлено в диссертационной работе А.В. Бойцова [2002] и монографии В.В. Шепелёва (2011]. Было установлено, что природные условия Центральной Якутии не способствуют формированию надмерзлотных вод сезонноталого слоя. Это связано с высокой сухостью воздуха, малым количеством атмосферных осадков и коротким жарким летом. Надмерзлотные водоносные талики могут формироваться в песчаных отложениях на пологих склонах, где существуют условия для накопления влаги. При высокой залесенности склонов в зоне аэрации наблюдается дефицит влаги, поскольку вся она расходуется на испарение и транспирацию. Наибольшая мощность водоносного слоя наблюдается у подошвы склонов при переходе к заболоченным понижениям. В низинах на заболоченных и задернованных участках водоносный слой раздроблен, здесь формируются обычно небольшие по площади маломощные линзы и узкие потоки надмерзлотных вод сезонноталого слоя.
Исследования, проведенные в долине Туймаада, показали наличие подземных вод в сезонноталом слое в четвертичных отложениях, надмерзлотных грунтовых вод в таликах под руслами рек и озерами [Мельников, 1950; Шепелёв 1994; Санникова, 2000; Мониторинг подземных вод криолитозоны, 2002; Подземные воды Центральной Якутии…, 2003 и др.]. Надмерзлотные воды сезонноталого слоя, которым принадлежит основная роль в подтоплении грунтов оснований, распространены повсеместно, но их гидродинамический режим на разных участках имеет свои особенности и зависит от комплекса факторов. Появление вод сезонноталого слоя отмечается, как правило, в конце мая – в начале июня [Шепелёв, 1994, 2010]. В течение лета подошва обводненного слоя опускается в соответствие с деградационным смещением кровли криогенного водоупора. Наиболее интенсивно протаивают песчаные грунты на повышенных элементах рельефа. Несмотря на значительную мощность сезонноталого слоя (в конце лета до 3-4 м), на таких участках породы менее обводнены, так как инфильтрирующиеся в протаивающий слой атмосферные осадки быстро стекают в понижения. В низинах, у оснований склонов выположенных валов высокольдистые грунты протаивают на меньшую глубину, но сезонноталый слой зачастую здесь обводнен полностью (до 1-2 м).
Основную роль в пополнении запасов влаги надмерзлотных вод сезонноталого слоя играют талые снеговые воды, стекающие с повышенных элементов рельефа по мерзлому субстрату, а также атмосферные осадки, выпадающие в начале теплого периода. Немногочисленные дожди, выпадающие в июле-августе, в питании надмерзлотных вод практически не участвуют из-за высокого их испарения в жаркие летние месяцы. На урбанизированной территории исследования за водами сезонноталого слоя проводились при инженерно-геологических изысканиях в ходе строительства зданий и сооружений. Эти исследования показали наличие дополнительного питания подземных вод за счет утечек из различных водонесущих коммуникаций и инфильтрации жидких бытовых стоков [Курчатова, 1996]. Поступление химических веществ с техногенными водами и слабый дренаж выровненной территории города, наряду с процессами испарения определяют повышенную минерализацию надмерзлотных вод, формирующихся в слое сезонного протаивания грунтов. Дополнительное техногенное воздействие на подземные воды объясняет их довольно пестрый химический состав, который определяется не только составом атмосферных осадков, характером почв, литологическим составом водовмещающих пород, но и степенью техногенного загрязнения [Санникова, 2000].
Фильтрационные свойства грунтов сезонноталого слоя и результаты опробования траншейного дренажа с водоприемным колодцем
Состав мероприятий по инженерной подготовке грунтов оснований в г. Якутске традиционно ограничивается подсыпками площадок застройки привозным грунтом и организацией поверхностного стока. Локальные отсыпки выполняются без высотной увязки планировочных отметок смежных кварталов. В результате проблема обводнения территории лишь усугубляется и проявляется в виде затопления и заболачивания придорожных полос, участков вокруг отдельных зданий, а иногда даже обширных площадей внутри кварталов. В редких случаях, при строительстве особо ответственных зданий, проводят предпостроечное охлаждение высокотемпературных грунтов сезонноохлаждающими установками. При этом не учитывается, что промерзание надмерзлотных вод сопровождается увеличением их минерализации и, соответственно, понижением температуры замерзания поровых растворов, а также ростом давления в остающемся водоносном талике. Насыщенные солеными водами породы, имея отрицательные температуры, обладают свойствами талых грунтов и, соответственно, низкими прочностными характеристиками.
Для борьбы с криопэгами на территории города пробовали применять разные методы и технологии. Например, на площади строительства домостроительного комбината грунты, содержащие линзы криопэгов, были заменены незасоленным песком. Данный способ оказался неэффективным, потому что одновременно не выполнялись мероприятия по регулированию надмерзлотного стока. Криопэги в насыпном грунте появились снова.
Для повышения несущей способности оснований аварийных зданий в г. Якутске проводились работы по укреплению водонасыщенных засоленных пород методом объемной силикатизации [Попенко, 2003]. Этот метод не нашел широкого применения, поскольку при силикатизации грунта в толще образовывались замкнутые полости, из которых не удалялся высокоминерализованный поровый раствор, и, следовательно, несущая способность оснований оставалась низкой [Шашкова, 2006].
На одном из участков распространения криопэгов был проведен натурный эксперимент по замещению соленых вод пресными с последующим естественным замораживанием грунтов [Андреев, 1985, Коносавский 1983]. Нагнетание пресной воды в водоносный слой, залегающий в интервале глубин 2–4 м, осуществлялось через скважины осенью в период максимального протаивания пород. Несмотря на то, что в течение всей последующей зимы с площадки убирался снег, промерзания мелких пылеватых и среднезернистых песков с криопэгами не произошло. Как показал дальнейший анализ гидродинамических и гидрохимических данных, полученных в процессе опыта, отрицательный результат связан с фильтрационной неоднородностью четвертичных отложений в плане и разрезе, а также разницей в плотности закачиваемой пресной воды и вытесняемого раствора, приведших к сохранению «языка» соленых вод в подошве талика. Немаловажную роль, вероятно, сыграла и более высокая температура нагнетаемой воды по сравнению с температурой грунтов, вмещающих криопэги.
В последующем на этом же участке для изучения возможности искусственного промораживания талика в сентябре была прорыта траншея до глубины залегания надмерзлотных грунтовых вод и организованы режимные мерзлотно гидрогеохимические наблюдения за температурой пород, их засоленностью и минерализацией криопэгов [Павлова, 2006]. Траншея простояла открытой всю зиму. Было установлено, что на участках прокладки подобных линейных выработок понижение температуры водоносных пород за счет бокового охлаждения идет значительно быстрее, чем за счет естественного сверху. Промерзание пород под дном траншеи происходит уже в первой половине зимы и сопровождается миграцией ионов порового раствора как вниз по разрезу, так и в горизонтальном направлении. На удалении от траншеи охлаждающее ее влияние быстро ослабевает вследствие выделения тепла при фазовых переходах воды, а также повышения минерализации криопэгов, температура кристаллизации которых, соответственно, понижается. Вместе с тем под траншеей создаются условия для формирования слоя высокоминерализованных вод до глубины 7–9 м.
Анализ результатов проведенных экспериментов показывает, что сложность борьбы с криопэгами возникает из-за специфического мерзлотно гидрогеологического строения аллювиальной толщи, в которой линзы отрицательно-температурных высокоминерализованных вод разделены прослоями засоленных твердомерзлых или пластичномерзлых пород. В настоящее время основной метод борьбы с криопэгами и закрепления грунтов оснований в Якутске - установка под зданиями «холодных» свай и охлаждающих термосифонов. Однако задачу промораживания водонасыщенных грунтов естественным или искусственным холодом значительно осложняет миграционная способность криопэгов, а при минерализации порового раствора выше 20 г/дм3 эти методы неэффективны.
Одним из перспективных методов борьбы с надмерзлотными криопэгами может быть принудительное водоотведение. К сожалению, отсутствие методик выполнения водопонизительных работ в сложных инженерно-геологических условиях и малая изученность фильтрационных свойств пород зоны аэрации и водовмещающих рыхлых аллювиальных отложений сдерживает внедрение на территории Якутска дренажных систем, широко применяемых вне криолитозоны.
Далее рассматриваются результаты режимных мерзлотно гидрогеологических наблюдений и комплекса опытно-фильтрационных работ, выполненных на четырех типовых участках распространения надмерзлотных вод, позволившие оценить фильтрационные свойства обводненных засоленных грунтов и возможность применения различных систем дренирования проблемных территорий. 5.2 Результаты опытно-фильтрационных работ на проблемных участках
При обосновании выбора дренажных систем одним из основных геофильтрационных параметров, который необходимо иметь для расчетов, является коэффициент фильтрации водовмещающих отложений и грунтов зоны аэрации. Как правило, при инженерно-геологических изысканиях этот показатель определяют лабораторными методами, используя дистиллированную воду или воду питьевого качества. Учитывая, что на территории г. Якутска надмерзлотные воды подвержены техногенному загрязнению и, как правило, имеют минерализацию больше 1 г/дм3, в лабораторных экспериментах при применении пресной и ультрапресной воды получают лишь ориентировочную величину этого геофильтрационного параметра, которую можно использовать для приближенных расчетов [Павлова, Данзанова, 2013]. Для повышения точности определения коэффициента фильтрации грунтов, Институтом мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН совместно с ООО научно-внедренческим центром «Геотехнология» на четырех экспериментальных площадках, расположенных в разных частях города, в 2009-2011 гг. был выполнен комплекс гидрогеологических исследований, включающий режимные наблюдения за динамикой надмерзлотных вод и опытно-фильтрационные работы. Опытно-фильтрационные работы проводились на экспериментальных полигонах с разными гидрогеологическими условиями: 1) участок с развитием надмерзлотных вод сезонноталого слоя; 2) участок, где распространены неглубокие (до 4-5 м) надмерзлотные талики; 3) два участка с глубокими (до 10 м) водоносными таликами. Схема расположения экспериментальных полигонов показана на рисунке 15.