Материал: Мерзлота г. Якутска и устойчивость инженерных сооружений

Мерзлота г. Якутска и устойчивость инженерных сооружений

Муниципальное образовательное учреждение

Городская классическая гимназия

Реферат

к итоговому проекту

«Мерзлота г. Якутска и устойчивость инженерных сооружений»

Выполнил: ученик 10-в класса

Григорьев Александр

Научный руководитель

д.г.н. В.В.Куницкий

Якутск 2014

Аннотация

В проекте рассмотрены основные проблемы устойчивости зданий и инженерных сооружений в городе Якутске. Проанализирована их связь с инженерно-геокриологическими условиями территории, состоянием окружающей среды, современным потеплением климата и протекающими на территории города мерзлотными процессами и явлениями. Предложены конкретные меры по улучшению состояния городской застройки.

Введение

Мерзлотоведение (или геокриология) - это наука, изучающая происхождение, состав, свойства, строение, сложение и распространение мерзлых горных пород. Почвы, породы, содержащие включения льда, называются мерзлыми, причем их отрицательная температура подразумевается. Замерзание воды в почвах существенно изменяет их физико-механические, фильтрационные, тепловые, электрические и другие свойства. Сцементированные льдом рыхлые породы обычно становятся более или менее плотными, крепкими (Общее мерзлотоведение, 1974).

Мерзлотоведение находится на стыке ряда других наук: в первую очередь, геолого-географических, включая геоморфологию, литологию, палеогеографию, гидрогеологию, инженерную геологию и геофизику; физико-химичеких, включая физику, механику, термодинамику, теплофизику, химию и физическую химию; а также технических, строительных и др.

В настоящее время многолетнемерзлые горные породы занимают около 25 % суши земного шара, 65 % России и охватывают всю территорию Якутии.

Почти до середины XIX века человечество не знало о масштабах многолетнего промерзания недр нашей планеты и располагало лишь отрывочными сведениями о существовании этого природного феномена. Только в 1837 году, когда колодец, вырытый по инициативе жителя г. Якутска Ф. Шергина с целью добычи подземных вод для водоснабжения города, достиг 116 м и не вскрыл талых пород, журналисты оповестили мир о существовании в Сибири вечной мерзлоты большой мощности. С этого времени началось изучение мерзлоты. Этот колодец, вошедший в историю под названием «Шахта Шергина», сохранен в г. Якутске до настоящего времени.

Большую роль в развитии мерзлотоведения сыграл Институт мерзлотоведения СО РАН, созданный в г. Якутске в 1960 году. Это единственная в мире научно-исследовательская организация, занимающаяся всем комплексом проблем мерзлотоведения. Добыча полезных ископаемых, строительство, прокладка дорог и линий электропередачи, водоснабжение городов и поселков - все здесь осложнено, все требует особых технических решений, опирающихся на научное знание. Изучая и прогнозируя изменения, происходящие в мерзлых толщах, ученые страхуют проектировщиков, строителей, эксплуатационников от просчетов, позволяют избежать ловушек, мести мерзлоты за пренебрежение ее закономерностями.

Занимаясь в географическом кружке при Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН под руководством доктора географических наук, главного научного сотрудника института Виктора Владимировича Куницкого, я неоднократно бывал на инженерных объектах Якутска. Ученые института ведут на территории города наблюдения за состоянием мерзлоты их оснований. В.В. Куницкий предложил мне сделать проект по этой тематике, сформулировал цель и поставил задачи.

Цель работы - показать неблагополучное состояние зданий и инженерных сооружений (инженерной инфраструктуры) г. Якутска; доказать, что такое положение связано с неудовлетворительным проектированием, строительством и эксплуатацией городских объектов; показать влияние современного климата на мерзлоту оснований; предложить пути выхода из кризисной ситуации.

Задачи работы:

-        изучить состояние мерзлоты в основаниях инженерных сооружений (инженерно-геокриологические условия) на территории г. Якутска на основе обобщения опубликованных материалов и собственных наблюдений;

-        изучить проявление мерзлотных процессов на территории г. Якутска;

         оценить состояние окружающей среды района г. Якутска; влияние современного потепления климата на состояние городской инфраструктуры; техническое состоянии зданий и сооружений;

         предложить технические мероприятия по улучшению ситуации.

Глава 1. Область старого Якутска и строительство на мерзлоте

История застройки Якутска, который основан в 1632 году, насчитывает свыше трех с половиной столетий. Немецкая гравюра дает представление о характере этой застройки в XVIII веке (Куницкий, 2011).

Рис. 1. Общий вид деревянной застройки Якутска на гравюре XVIII века.

Общее представление о характере застройки территории Якутска в начале XX в. дают следующие снимки (рис. 2 - 7).

Рис. 2. Деревянное двухэтажное здание Реального училища по улице Логовая (ныне - ул. Кулаковского) города Якутска. Снимок сделан в 1906 году

Рис. 3. Вид с колокольни Предтеченской церкви на крыши города Якутска в начале XX столетия. Каменное здание Государственного Русского драматического театра им. А.С. Пушкина находится ныне на месте деревянных строений, показанных на переднем плане этого снимка

Рис. 4. Вид с колокольни Предтеченской церкви на улицу Большую в начале XX века. Ныне эта улица - проспект Ленина в городе Якутске

Рис. 5. Каменное здание магазина торгового дома «Коковин и Басов». Ныне на месте этого магазина находится здание ЯАБ «Якутзолотобанк» по ул. Аммосова, 18. Снимок сделан в 1914 году

Рис. 6. Вид на мост через озеро Теплое в Залог в начале XX века, по улице Большой. Ныне эта улица - проспект Ленина в городе Якутске

Рис. 7. Вид на улицу Набережную (ныне - улица Хабарова) и на фасад первой электростанцию в городе Якутске. Снимок сделан в 1914 году

Строительство городов на мерзлоте развернулось в 30-е годы прошлого века, но особый размах приобрело в 50-60-е годы. Прочность мерзлого грунта - надежной опоры фундаментов - зависит ото льда. Он цементирует пески, супеси, глины, галечники, превращая их в монолитные скалы. Но прочность эта ненадежна. Здание отепляет почву, и если тает, от былой гранитной устойчивости не остается и следа. Грунт разжижается, оседает, вызывая опасную деформацию, а часто и разрушение построенных на нем зданий. Значит ради долговечности сооружений их надо сохранять в мерзлом состоянии. Для этого мерзлотоведами разработан фундамент из железобетонных свай с проветриваемым подпольем. Дома Магадана, Норильска, Якутска, Мирного словно парят на ажурных опорах. Мерзлый грунт намертво схватывает опущенную в него сваю и полностью выдерживает расчетную нагрузку, при условии сохранения его мерзлого состояния (Некрасов, 1984).

Трубы, несущие в дома комфорт, в северных городах идут, как правило, над землей, в особых коробах, чтобы не замерзали и не "задевали" мерзлоту. За исправностью этих коммуникаций на Севере необходимо следить как нигде, потому что прорыв теплой и даже холодной воды дает толчок к таянию подземного льда. Как от одной-единственной спички вспыхивает пожар, так от струи воды начинает оседать почва.

Глава 2. О развитии криогенных процессов и явлений. Состояние окружающей среды района г. Якутска

Сегодня город Якутск - самый крупный населенный пункт в мире, находящийся в пределах сплошной криолитозоны (многолетнемерзлых пород) мощностью до 300 м. Этот уникальный город живет и развивается в очень сложных природных и техногенных условиях, многие из которых в настоящее время квалифицируются как кризисные (Алексеева и др., 2006).

Основными криогенными (мерзлотными) процессами на территории г. Якутска являются термокарстовые и термосуффозионные просадки, морозобойное растрескивание, солифлюкция, локальное и площадное морозное пучение, термоэрозия, термоденудация, термопросадки, заболачивание и подтопление, а также техногенное наледеобразование. Активизация этих процессов неблагоприятно сказывается на функционировании городской инфраструктуры. В последние десятилетия отмечается расширение площадей распространения деструктивных криогенных процессов. Это выражается в разрушении дорожных покрытий и коммуникаций, деформациях насыпей, фундаментов сооружений, формировании термоэрозионных рытвин, увеличении зон заболачивания.

Серьезной проблемой городского хозяйства зимой являются техногенные наледи, обусловленные аварийными утечками из водопроводно-канализационных коммуникаций и являющиеся массовым и непрерывным процессом (Алексеева и др., 1999). Слой наледного стока на территории города в среднем составляет 50 мм в год. В отдельных городских кварталах он достигает более 200 мм, что значительно превышает сумму зимних атмосферных осадков. Наледи, минерализация льда которых достигает 1,5-2 г/л, являются одним из важных источников загрязнения городской территории, негативно влияют на качество грунтов и их инженерно-геологические свойства. Они способствуют заболачиванию территории, изменяют тепловой баланс и химический состав подстилающих отложений.

Наиболее интенсивное развитие криогенных процессов происходит в пределах линейных участков, приуроченных к древним пойменным и старичным понижениям, которые охватывают территорию города густой сетью и наиболее распространены на поверхности первой надпойменной террасы. Эти участки являются ареной активного развития криогенных процессов и явлений, а древние пойменные гряды, напротив, характеризуются относительной стабильностью.

К числу наиболее динамичных явлений относятся сезонное пучение и просадки грунтов (до 15-20 см в год), термоэрозия, спровоцированная техногенезом (первые метры в год), а также термокарстовые просадки дна новообразованных озер на северо-западе города (до 15-40 см в год).

Все это вынуждает администрацию г. Якутска ежегодно расходовать огромные средства на укрепительно-восстановительные, ремонтные и аварийные работы, на усложнение конструкций фундаментов, дорог, схем прокладки инженерных сетей и т.д.

Однако эти меры не снижают кризисности мерзлотно-гидрогеологической, инженерно-геологической и геоэкологической обстановки в городе. Без принятия кардинальных мер г. Якутск может оказаться в ситуации, когда дальнейшее его функционирование на существующей территории будет весьма проблематичным.

Проведенные Институтом мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН эколого-геохимические мониторинговые исследования свидетельствуют о том, что территория г. Якутска отличается высокой плотностью техногенного давления на экосистемы. Это обусловлено как неблагоприятными климатическими и инженерно-геологическими условиями, так и ошибками, допущенными при создании и эксплуатации городской инфраструктуры. Техногенные геохимические аномалии фиксируются во всех природных средах: атмосфере, снежном покрове, почвах, природных водах, растительности.

Загрязнение атмосферы г. Якутска разнообразными выбросами охватывает не только непосредственно территорию городской застройки, но и распространяется далеко за ее пределы. Попадание сточных вод в поверхностные водоемы и их инфильтрация в почвы ведет к частичной или полной метаморфизации химического состава поверхностных и надмерзлотных подземных вод. Ухудшение санитарно-гигиенического состояния природных вод связано в основном с повышением минерализации воды за счет концентрирования хлоридов магния и натрия, увеличением концентрации соединений азота и ряда токсичных элементов (марганца, стронция, хрома и других).

В районе г. Якутска насчитывается несколько десятков озер. Наиболее крупными из них являются Сайсары (площадь 0,6 км2, глубина 5 м) и Белое (0,8 км2, глубина 7 метров). Воды озер весьма разнородны по химическому составу: от маломинерализованных гидрокарбонатных смешанных по составу катионов, до солоноватых и соленых, преимущественно гидрокарбонатных и хлоридных. Величина минерализации озерных вод колеблется от 84,0 до 6567,0 мг/л, но в большинстве озер находится в пределах 20-700 мг/л. Наиболее минерализована (1400 - 5600 мг/л) вода в озерах Хатын-Юрях, Хомустах и безымянных озерах, которые протягиваются вдоль западной окраины города. Соленость воды в этих озерах заметно возрастает с 1998 г., что связано с продолжающимся сливом сточных вод в эти водоемы и перекачкой минерализованных загрязненных вод в озеро Хатын-Юрях, предпринятой администрацией города летом 2003 г. Наиболее загрязненные озера в районе г. Якутска находятся в промышленной зоне, а также вдоль главных автомагистралей города и на территории городской свалки (Макаров, 2003).

Глава 3. Застройка и геокриологический мониторинг территории г. Якутска

Масштабность развития подтопления и обводнения территории г. Якутска обуславливает высокую степень нарушенности и нестабильности мерзлотно-грунтовых условий оснований зданий, сооружений и коммуникаций, способствует активизации опасных криогенных процессов (Шепелев, Шац, 2000). Именно обводнение является одним из наиболее неблагоприятных факторов, влияющих на потерю устойчивости грунтов оснований и несущих конструкций. Причем обводнение происходит как пресными, так и минерализированными подземными водами - криопэгами. Ярким примером обводнения может служить аэропорт в г. Якутске.

Характерным для г. Якутска является высокий темп интенсификации фильтрационно-миграционных процессов, вследствие которых происходит глубинное засоление многолетнемерзлых грунтов и их переход в пластично-мерзлое и талое состояние. На отдельных участках города минерализация надмерзлотных и межмерзлотных вод - криопэгов увеличивается до 50-100 г/л. Температура замерзания грунтов, содержащих воды с такой минерализацией, достигает минус 3-5оС, что приводит к возникновению отрицательно-температурных талых грунтов, на которых невозможно строительство по 1-му принципу. Коварным свойством криопэгов является способность «разъедать» материал несущих конструкций фундаментов зданий и сооружений. В городе немало участков, пораженных этими процессами. Глубина таликов, образовавшихся под некоторыми зданиями, достигает 12-16 м. Растет количество участков, где происходят активные процессы засоления грунтов (рис. 8).

Рис.8. Грунт с криопэгами (стрелка) в культурном слое строительной площадки. Район перекрестка улицы Орджоникидзе с улицей Короленко. Февраль 2010 г.

Техногенные преобразования химического состава надмерзлотных вод в совокупности с криогенными процессами негативно отражаются на состоянии подземных коммуникаций, фундаментов, подвальных помещений, дорожного покрытия и других сооружений. Многократные изменения кислотности-щелочности, содержания органических веществ и других компонентов усиливают агрессивную способность среды и повышают коррозионную активность грунтов. Природно-техногенные геологические процессы и явления наносят прямой и косвенный ущерб городскому хозяйству, создают экологические проблемы, угрожают устойчивости сооружений, вызывают аварии и разрушения жилых зданий, промышленных площадок и транспортных магистралей, служат причиной чрезвычайных ситуаций.

Глава 4. О влиянии современного потеплении климата на состояние городской инфраструктуры

Одной из серьезных проблем, волнующих в последние годы мировую общественность, является проблема потепления климата. Само потепление, наблюдающееся на протяжении 40 лет, стало фактом и его никто не оспаривает. Так в Якутии за последние 30 лет температура атмосферного воздуха повысилась на 0,5-2,0 0С. Однако, по данным Института мерзлотоведения СО РАН, температура мерзлых пород за этот период не изменилась, что можно объяснить большой инерционностью мерзлых толщ. Это указывает на то, что различные колебания температурных условий на поверхности Земли распространяются медленно, неглубоко и быстро затухают. При изменениях климата следует опасаться перехода температуры поверхности многолетнемерзлых пород в область положительных значений. Это приведет к их протаиванию сверху и к значительному увеличению глубины сезонноталого слоя. В этом случае устойчивость городских систем жизнеобеспечения и инженерной инфраструктуры достигнет критического порога, а все наземные сооружения будут подвержены интенсивному разрушению. Однако прогнозные расчеты изменения геокриологической обстановки на перспективу показывают, что такой критической ситуации в районе г. Якутска на ближайшее будущее не предвидится (Рис. 9).