The assessment of geocryological threats to the developed territories of Eastern Chukotka

Maslakov Alexey PhD in Geography Research fellow at the Geographical Faculty of Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1 alekseymaslakov@yandex.ru Other publications by this author

1. Введение

Оценка опасностей и связанных с ними ущербов для застроенных территорий и зон перспективного освоения является важнейшей составляющей инженерно-геологических, инженерно-геокриологических и прочих видов изысканий ^[1]. Опасностью называется обстановка (процесс, явление или событие), при которой в многолетнемёрзлых породах появляется возможность возникновения угрозы ущерба инженерным сооружениям, хозяйственным объектам, окружающей среде, людям, животным, условиям их обитания и жизнедеятельности ^[2]. Ущерб от аварий на техногенных объектах, их ликвидация и дальнейшие восстановительные работы, связанные с некорректно (или недостаточно) проведённой оценкой опасностей, зачастую сопоставимы по стоимости со строительством новых сооружений. Поэтому, наиболее наглядным результатом этой оценки является анализ стоимостных показателей, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией различных объектов в сопоставлении с затратами на ремонтно-восстановительные работы, а также на реализацию мероприятий по защите от опасных инженерно-геологических процессов ^{[3, 4]}. Однако, такая методика эффективна при стабильном состоянии грунтовых условий, в то время как многолетнемёрзлые породы относятся к структурно-неустойчивым грунтам. Таким образом, за основу оценки опасностей в криолитозоне следует принимать степень изменения мерзлотных условий и интенсивность криогенных процессов.

В поселениях региона Восточной Чукотки складывается особенная мерзлотно-экологическая ситуация. Если в горных районах основной причиной возникновения опасности могут служить преимущественно склоновые процессы (начиная с лавин и заканчивая движением курумов), то в равнинных и, в особенности, прибрежных поселениях, существенное влияние на устойчивость литокриогенного основания оказывают состав, температура, льдистость мёрзлых отложений, протекторная роль растительности, изменение мощности деятельного слоя (СТС), а также проявление процессов морозного пучения, осадки, овражной термоэрозии и береговой термоабразии. Дополнительные опасности могут быть связаны с преждевременным износом строительных конструкций под действием криогенного выветривания материалов (т. н. «морозная деструкция бетона»). Особую роль в изменении инженерно-геокриологических условий в поселениях региона играют климатические изменения ^[5], отражающиеся в динамике мерзлотных условий ^{[6, 7, 8]}

Территория Восточной Чукотки не является регионом активного хозяйственного освоения: вся антропогенная нагрузка сконцентрирована в пределах береговых национальных поселений, население которых не превышает 5000 человек, а общее население региона не превышает 50 тыс. человек ^[9]. Поселения застроены 1-2-этажными домами (изредка 5 этажей), имеющими различное воздействие на мёрзлые основания. Более крупные посёлки (с населением более 1000 жителей) имеют централизованное теплоснабжение и канализацию. Модельным поселением, на основе которого была подробно рассмотрена антропогенная нагрузка на многолетнемёрзлые породы, является посёлок Лорино, который считается крупнейшим населённым пунктом (около 1300 человек) с преобладанием коренных народов Севера на востоке Чукотки ^[10].

Целью данного исследования является разработка и опробование методики оценки геокриологических опасностей для поселений Восточной Чукотки. Работа заключается в выделении основных критериев оценки устойчивости многолетнемёрзлых оснований к нарушениям различного рода в базовом поселении Лорино, определении техногенной нагрузки в пределах застройки и выявлении степени текущих геокриологических опасностей, связанных с ухудшением геотехнической обстановки и активизацией негативных криогенных процессов.

2. Район исследования

Восток Чукотки представляет собой пологонаклонные предгорья, примыкающие к сопкам сглаженного Чукотского нагорья. Горизонтальные поверхности представлены среднеплейстоценовыми морскими равнинами, голоценовыми морскими косами, долинами рек, а также флювиогляциальными и моренными равнинами нерасчленённого плейстоцена ^[11]. Климат Восточной Чукотки формируется в сложных условиях противоречивого влияния воздушных масс: Евразии с одной стороны; Тихого океана — с другой; Северного Ледовитого океана с его постоянным антициклональным типом погоды и ложбиной Алеутского минимума (циклоническая деятельность) – с третьей. Действие холодных северных, восточных и юго-восточных ветров обуславливает суровость зим и неравномерное распределение снежного покрова ^[12].

Особенности климатических условий определили распространение мёрзлых пород на рассматриваемой территории. Территория Восточной Чукотки относится к области сплошного распространения многолетнемёрзлых пород (ММП), температура которых в прибрежных районах колеблется в районе -4..-6°С ^[13]. Для Восточной Чукотки характерен процесс криогенного растрескивания в дисперсных грунтах, приводящий к образованию син- и эпигенетических повторно-жильных льдов ^[11]. На плоских участках широко развит термокарст: это озёра, озёрные котловины, озёрно-аласные равнины и эрозионно-термокарстовые ложбины стока. Во впадинах, низменностях и долинах рек распространены сезонные бугры пучения – инъекционного и инъекционно-сегрегационного типов. Встречаются они как поодиночке, так и группами ^[14]. В регионе широко развиты наледи. На морском побережье, в частности, в пределах аккумулятивных равнин, развиты разрушительные береговые процессы: термоэрозия, термоабразия, термоденудация, а также комплекс склоновых процессов ^{[15, 16]}.

3. Методика

В пределах одного из крупнейших поселений Восточной Чукотки, расположенного на морском берегу (Лорино) была проведена оценка криогенных опасностей для существующих и проектируемых инженерных сооружений. В основу методики оценки был положен анализ мерзлотно-экологической ситуации на освоенных или перспективных к застройке территориях, а также изучение естественной устойчивости мёрзлых пород поселения в случае ухудшения мерзлотных условий и активизации негативных криогенных процессов.

Оценка криогенных опасностей и ущербов в данном исследовании проводилась по двум основным принципам: 1) изменение мерзлотно-экологической ситуации на освоенных или перспективных к застройке территориях («площадной подход»); 2) изменение мерзлотно-экологической обстановки в основаниях зданий, сооружений и объектов инфраструктуры («точечный подход»). Таким образом, оценка предусматривает выявление ведущих факторов, определяющих вероятность неблагоприятных последствий для инженерных сооружений. Снижение геотехнической безопасности на освоенных территориях и ухудшение мерзлотно-экологической обстановки неизбежно ведут к увеличению вероятности аварий.

Для оценки возможного изменения глубины сезонного протаивания при техногенном воздействии проводилась балльная экспертная оценка. Она является сравнительно-качественной: в ней после отбора ключевых критериев изменению каждого из них экспертно присваивается балл; чтобы сопоставить «оценки» критериев и поставить итоговую оценку в дополнение к балльной шкале вводится шкала центов качества. Цент качества ^[17] – это одна сотая часть от всего возможного диапазона изменений какого-либо параметра. Поскольку изменения непрерывны, но конечны, для каждого фактора их разброс можно взять за 100%, где элементарная мера – 1% - и есть цент качества.

Привязка балльных оценок к шкале центов качества происходит следующим образом ^[18]. Рисуются две шкалы: на верхней порядковой шкале откладываются баллы (от 1 до 4-х) по мере нарастания признаков «устойчиво – не устойчиво», а на нижней - интервалы центов качества. Между ними располагают шкалы ключевых факторов. Затем проводят рубежи балльных оценок влияния на устойчивость с учетом факторов. Проекция полученных рубежей на нижнюю интервальную шкалу позволяет выразить балльную оценку верхней порядковой шкалы в центах.

Для оценки устойчивости оснований к изменениям мощности СТС из полученных значений центов рассчитывается среднее геометрическое – коэффициент опасности ^[19].

Ко = (П1* П2*П3*....Пn)1/n (1),

где Ко – средняя геометрическая оценка опасности освоения, центы

П1; П2; П3;....Пn – значения параметров, выраженных в центах.

Расчёт несущей способности вмороженных свай в поселении проводился на основе формулы (2) из Свода правил ^[20]:

(2),

где Fu – несущая способность вертикально нагруженной висячей сваи; Raf,i – сила смерзания сваи со слоем грунта i; Aaf,i – площадь контакта сваи со слоем грунта i.

Воздействие касательных сил морозного пучения грунтов рассчитывалось по формуле (3) ^[20]:

F = τfh∙Afh (3),

где τfh – расчетная удельная касательная сила пучения, кПа; Afh – площадь боковой поверхности смерзания грунта со сваей в пределах СТС. Значения τfh брались из таблицы 7.8 Свода правил СП 25.13330.2012 ^[20] в зависимости от глубины сезонного протаивания, влажности и состава пород, слагающих СТС; значения Afh рассчитывались при перемножении глубины СТС и периметра (или длины окружности) сваи.

В исследовании использовался космический снимок GeoEye высокого разрешения (0,5 м), любезно предоставленный компанией Digital Globe ^[21]

4. Результаты

4.1. Оценка естественной устойчивости территории поселения Лорино при техногенном нарушении

Устойчивость есть свойство систем сохранять постоянство структуры и режимов функционирования при определенных внешних воздействиях ^[22]. Она определяет стабильность положения подошвы СТС зависит от соотношения между поступлением тепла в грунт и теплоотдачей из него, т.е. от энергетической устойчивости.

Оценку изменения глубины сезонного протаивания решено было выполнить методом балльной экспертной оценки ^[19]. Поскольку оценка подразумевает классификацию, для ее проведения необходимы критерии – факторы, от которых зависит характер оцениваемого явления. Устойчивость температурного режима грунтов сезонно-талого слоя определяется ^[23]:

1) среднегодовой температурой пород,

2) годовой амплитудой температур на поверхности грунта,

3) положением в рельефе,

4) литологическим составом грунта,

5) теплоизоляционные свойствами снежного и растительного покровов,

6) льдистостью и влажностью грунта,

7) теплофизическими свойствами грунта.

Можно принять, что в естественных условиях в локальном масштабе территорию нельзя дифференцировать по критериям 1-3. Они могут изменяться человеком, однако при оценке энергетической устойчивости СТС рассматривается естественная устойчивость грунтов, а потому нагрузка принимается одинаковой по всей территории – тепловыделение от зданий и сооружений. Чтобы соблюсти требование к однородности из рассмотрения пришлось исключить берег (участок 9), сложенный талыми породами. Растительность на застроенных участках подавлена, а снежный покров является одним из инструментов управления мерзлотной обстановкой, а потому перестает быть критерием.

Литологический состав – локальный геологический критерий, на основании которого поселок разделен на 5 инженерно-геокриологических участков ^[24] (рис. 1), пронумерованных согласно преобладающему инженерно-геологическому элементу (ИГЭ) в интервале 1-2 м. (под подсыпкой). Внутри них льдистость, влажность и теплофизические свойства в пределах СТС считаются однородными. Описание участков содержится в табл. 1.

Таблица 1. Инженерно-геокриологические участки в пос. Лорино ^[24]

Для глубины сезонного протаивания ключевыми являются следующие критерии:

1) тип грунта,

2) толщина слоя насыпного грунта,

3) льдистость,

4) наличие прослоев торфа,

5) температура начала замерзания.

В итоговый перечень вошли не все характеристики из табл. 1, только интегральные: температура начала замерзания зависит от засоленности, типа грунта; особенности грунта, отчасти определяемые генезисом, нашли отражение в типе грунта, температуре начала замерзания.

Рис. 1. Инженерно-геокриологические участки в поселении Лорино (пояснения в табл. 1). Оранжевыми точками указаны скважины

В исследовании выделено 3 варианта изменения глубины сезонного протаивания: слабое, среднее и значительное. Соотношение оценочных шкал основных показателей, влияющих на него, приведено на рис. 2.

Описание процесса классификации приведено ниже.

Тип грунта

Торф – хороший теплоизолятор и, как правило, имеет высокую льдистость, следовательно, и теплоемкость, а значит на его оттаивание требуется больше тепла, поэтому он менее всего подвержен изменениям глубины оттаивания. Гравийный грунт имеет максимальную теплопроводность, поэтому он наиболее чутко реагирует на изменение внешних условий. Два типа песков и супеси образуют непрерывный ряд изменения дисперсности, а вот между ними и гравийным грунтом и между ними и торфом есть «пробелы», поэтому они легко выделяются в отдельный кластер.

Толщина слоя насыпного грунта

Максимальная глубина сезонного оттаивания в поселке – 1,9 м, минимальная – 1,5 м. Эффективными считаются подсыпки, толщина которых превышает мощность СТС (т.е. 1,9 м), поэтому минимально воздействие для слоя насыпного грунта более 1,9 м, а максимально – более 1,5 м.

Льдистость

За основу взята классификация дисперсных грунтов с делением их на слабольдистые (0,01 – 0,1 доли ед), льдистые (0,1 – 0,4 доли ед.) и сильнольдистые (0,4 – 0,6 доли ед.).

Рис. 2. Соотношение оценочных шкал основных показателей, влияющих на изменения глубины сезонного протаивания при техногенном воздействии

Наличие прослоев торфа

Анализ описаний скважин и шурфов показал, что торфяные прослои препятствуют оттаиванию. Поскольку они есть не везде, их пространственное распространение можно оценить по частоте появления в скважинах.

Температура начала замерзания

По классификации В.А. Кудрявцева ^[23], грунты со среднегодовой температурой выше -1°С представляют переходный тип, поэтому если при -1°С грунт все еще не промерз, он неустойчив. 0,5°С взято для разделения слабого и среднего изменения мощности СТС.

Для того, чтобы учесть все факторы, по формуле (1) рассчитано среднее геометрическое полученных значений. Расчет баллов для зон приведен в табл. 2.

Таблица 2. Расчет коэффициента опасности по инженерно-геокриологическим участкам в пос. Лорино

Расчет показал, что изменение глубины сезонного протаивания на участке 2 будет слабым, на участках 4 и 5 – средним, а на участках 3 и 7 – значительным (рис. 3). Можно предположить, что устойчивость СТС участка 2 обусловлена наличием торфа; 4 и 5 – относительно высокой температурой замерзания и мощным слоем насыпных грунтов. Грунты участков 3 и 7 засолены, поэтому замерзают при более низкой температуре; насыпного грунта не много (до 0,5 м). Как видно, дисперсность и льдистость в данной ситуации не были ключевыми факторами – льдистая, но засоленная супесь попала в одну категорию с крупным песком.

4.2. Опасности, связанные с изменением сил пучения и смерзания свай с ММП

Для оценки опасностей, связанных с активизацией негативных криогенных процессов, были проведены дополнительные исследования и расчёты, связанные с проявлением этих процессов на территории поселения. В ходе полевых исследований и обработки дистанционных материалов, было выявлено, что для зоны застройки посёлка Лорино потенциальная опасность может возникнуть при активизации 4 негативных мерзлотных процессов и явлений: снижение несущей способности вмороженных свай, рост сил сезонного пучения грунтов, линейная термоэрозия и береговая термоабразия.

Рис. 3. Распределение участков с различной степенью изменения СТС под внешними воздействиями

Несущая способность вмороженных в мёрзлое основание свай – комплексная характеристика, отображающая изменение глубины деятельного слоя (через уменьшение или увеличение площади смерзания установленных свай с вечномёрзлыми грунтами оснований Aaf) и температуры многолетнемёрзлых пород (через силу смерзания Raf, оцениваемую по сопротивлению сдвигу на контакте «свая-грунт»). Оценка опасностей, связанных с изменением этого параметра, производилась на основе Свода правил СП 25.13330.2012 ^[20].

Для расчётов несущей способности свай были приняты 2 типа, наиболее распространённых в с. Лорино: железобетонная с квадратным сечением 30х30 см и железная с диаметром сечения 320 мм, заглубленные на 8 м. На основе проведённой в пределах поселения в 2013 г. георадиолокационной съёмки ^[25], с использованием программного пакета ArcGIS v. 10.1, была определена максимальная и минимальная мощности СТС под свайными сооружениями в пределах каждого инженерно-геокриологического участка, а также средняя мощность СТС по участку без учёта территорий, занятых свайными полями (фоновые значения). Распределение температур (температурный градиент) было взято из термометрических измерений, проведённых в поселении в 1979 гг. Геологические колонки выработок были взяты из отчётов об инженерно-геологических изысканиях прошлых лет ^[24]. Пример расчётов для железобетонной сваи в пределах инженерно-геокриологического участка №3 приведен в табл. 3-5.

Таблица 3. Расчёт несущей способности одиночной висячей железобетонной сваи в фоновых условиях (СТС 2 метра) в пределах распространения инженерно-геологического участка №3

Таблица 4. Расчёт несущей способности одиночной висячей железобетонной сваи в условиях развития минимального СТС (1,5 м) в пределах распространения инженерно-геологического участка №3

Таблица 5. Расчёт несущей способности одиночной висячей железобетонной сваи в условиях развития максимального СТС (2,2 м) в пределах распространения инженерно-геологического участка №3.

Вышеуказанные расчёты проводились для остальных инженерно-геокриологических участков, встреченных на территории застройки села: №4, №5 и №7, а также применительно к железным сваям, для которых изменялась площадь контакта, и в уравнении (2) вводился (согласно нормативным документам) понижающий коэффициент силы смерзания 0,7 (для железобетонных – 1). Результаты расчётов представлены в табл. 6.

Таблица 6. Несущая способность железобетонных и железных свай для различных инженерно-геокриологических условий и при различных глубинах СТС

Увеличение или уменьшение касательных сил морозного пучения грунтов является результатом локального и глобального воздействия на верхние горизонты многолетнемёрзлых пород, в частности, изменения термовлажностного режима деятельного слоя.

Расчёты сил морозного пучения проводились по формуле (3) для железных и железобетонных свай в условиях развития фоновых, максимальных и минимальных значений СТС для каждого инженерно-геокриологического комплекса. Результаты расчётов приведены в табл. 7.

Таблица 7. Воздействие касательных сил морозного пучения грунтов для различных инженерно-геокриологических условий и при различных глубинах СТС

На основе эмпирических зависимостей, полученных к.г.-м.н. Гребенцом В. И. (устное сообщение), появляется возможность сопоставить осреднённые количественные характеристики изменения сил морозного пучения и несущей способности вмороженных свай с различными степенями опасности (табл. 8).

Таблица 8. Соответствие изменения сил морозного пучения и несущей способности вмороженных свай степени опасности.

Значения несущей способности фундаментов, указанные в табл. 6, показывают, что для сооружений, построенных на участках 3 и 4 на данный момент опасность, связанная с этим явлением, низкая (максимальное снижение несущей способности составило 8%). В то же время, снижение несущей способности свай на 5 и 7 участках достигает 30 и 27% соответственно, что говорит о существенном повышении вероятности разрушения зданий в этих местах (высокая степень опасности).

Как видно из табл. 7, при максимальном развитии СТС под инженерными сооружениями рост сил пучения составляет в среднем 30-40 кПа (20-30%), а при минимальном касательные силы пучения уменьшаются на 30-90 кПа (30-70%). Средние значения этого параметра для каждого участка оказываются в целом ниже фоновых, а наиболее высокая степень опасности, связанная с ростом сил пучения, по сравнению с остальным участками, наблюдается на участке 7 (низкая).

4.3. Опасности, связанные с развитием деструктивных процессов

Опасность, связанная с развитием термоабразионных и термоэрозионных процессов оценивалась по результатам предыдущих исследований ^{[26; 16]}, в результате которых определены скорости отступания участка морского берега и роста овражной сети. Было выявлено, что в последние несколько лет (2010-2017 гг.) размыв отложений протекает с повышенными скоростями по сравнению со средними многолетними значениями (1967-2010 гг.). Термоэрозия развита в южной части посёлка и, согласно результатам полевых наблюдений 2012-2017 гг., в центральной части поселения на данный момент происходит рост нового вложенного оврага по руслу старого – заплывшего и заросшего. Для оценки опасностей, связанных с развитием этих негативных процессов был выполнен экспертный прогноз их проявления через 10 лет (к 2027 г.). Выделен прибрежный участок, в пределах которого при минимальной и максимальной интенсивности развития этих процессов, произойдёт размыв отложений. Как видно из Рисунка 4, вся прибрежная часть поселения будет затронута процессами термоабразии. Согласно прогнозу, в ближайшие годы будет разрушен участок берега шириной от 20 до 50 метров, при этом часть сооружений будет уничтожена. Предполагается, что в будущем растущий вложенный овраг успеет развиться минимум в нижней части старого, максимум – по всему старому руслу. Эти территории входят в зону риска, связанного с термоабразией и термоэрозией.

5. Заключение

Оценка естественной устойчивости криолитогенной основы показал, что в пределах поселения Лорино изменение глубины сезонного протаивания (интегрального параметра, характеризующего устойчивость природно-антропогенных ландшафтов) на участке 2 будет слабым, на участках 4 и 5 – средним, а на участках 3 и 7 – значительным. Оценка опасностей, связанных с уменьшением несущей способности вмороженных свай и увеличением касательных сил пучения показала, что наиболее уязвимыми участками являются 3 и 7, в пределах которых слой техногенной подсыпки невелик, а приповерхностные отложения засолены. Опасности, связанные с термоабразией и термоэрозией, существуют для зданий и сооружений, расположенных (или проектируемых) в 20-50-метровой прибрежной полосе, а также в пределах развития старого термоэрозионного оврага в центре села.

Рис. 4. Минимальное и максимальное проявление термоабразии и термоэрозии через 10 лет

В целом, мерзлотная ситуация в поселении Лорино, оценивается как стабильная, но требующая принятия мер по улучшению инженерно-геокриологических условий. На основании проведённого анализа было проведено районирование территории поселения по степени устойчивости литокриогенной основы к внешним воздействиям, в ходе которого были выделены участки с различной степенью устойчивости. Эти данные следует учитывать при проектировании инженерных объектов в будущем.

Проведённые исследования выявили, что для сохранения существующих инженерных сооружений и успешной эксплуатации проектируемых необходимо учитывать сложившуюся инженерно-геокриологическую ситуацию в грунтах оснований поселения и способствовать улучшению геотехнических условий посредством организации мер по управлению мерзлотной обстановкой.

Благодарности: Статья была выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ 16-17-00034, а также в рамках Госзадания АААА-А16-116032810055-0 (камеральный этап). Автор выражает благодарность к.г.н. Г.Н. Краеву, А.В. Радостевой и к.г.-м.н. В.И. Гребенцу за помощь в подготовке материалов статьи.