Воздействие мерзлоты на ВХО

Грунтово-криологические условия в различных районах Сибири значительно отличаются друг от друга, это обуславливается не только климатическими, но и инженерно-геологическими условиями. В русловой части рек и в водоемах при глубине воды зимой более 1…2 м обычно наблюдается значительное понижение верхней границы вечной мерзлоты или мерзлота вообще отсутствует. Прочность и деформируемость грунтов зависят от их температуры, льдистости и наличия незамерзшей воды.

Несущая способность сооружений, построенных в условиях вечной мерзлоты, в большинстве своем несколько десятилетий назад не соответствует проектной. Одной из причин является изменение границ вечной мерзлоты вследствие воздействия тепла от вод акватории. Основная особенность вечномерзлых грунтов обусловлена наличием в них льда, от состояния и распределения которого в значительной степени зависят свойства грунта. Чем больше в грунте ледяных включений, тем ниже его прочность. Прочность мерзлых грунтов существенно зависит от длительности приложения нагрузки. При кратковременном приложении нагрузки прочность мерзлых грунтов довольно велика, а при длительном воздействии нагрузки наблюдается значительное ее снижение.

Общий вид ряжевой причальной набережной

Якутского речного порта

Нередко при строительстве набережных приходится сталкиваться с проблемой, что на протяжении набережной физико-механические свойства грунтов различны. В основании сооружения мерзлые грунты могут чередоваться с талыми или находиться в различных состояниях.

Необходимо учитывать реологические свойства грунтов, которые меняются после постройки сооружения. Для сыпучих грунтов переход из мерзлого состояния в талое не является причиной, приводящей к потере несущей способности, что объясняется хорошей дренирующей способностью сыпучих грунтов. А для сильнольдистых дисперсных грунтов (Л_в³0,4) такой переход может привести к значительной потере несущей способности. Для всех грунтов при оттаивании характерны деформации, приводящие к осадке основания. Осадка сыпучих грунтов происходит одновременно с оттаиванием, дисперсные грунты оседают длительное время. Одна из главных причин, аварий гидротехнических сооружений, возведенных в условиях вечной мерзлоты, это резкое оттаивание грунтов, которое приводит к неравномерным осадкам.

Влияние грузов, складируемых на причалах, динамические и вибрационные воздействия передаются конструкциям через грунтовую среду, а складирование грузов на причалах, построенных в условиях вечной мерзлоты, в зимний период времени может привести к нарушению условий теплообмена. Поэтому немаловажно следить за рациональным размещением грузов и очисткой причалов от снега, рассчитанных на работу конструкции с промороженной обратной засыпкой, примером может служить порт в Лобытнанги.

Обской причал Лобытнанги

Расположение в зоне многолетнемерзлых пород (ММП) является серьезным фактором риска повреждения плотин и их водохранилищ. 48% аварий на гидростанциях происходит именно в таких регионах (при незначительном числе расположенных здесь ГЭС). Основная причина повреждений - недоучет криогенных процессов в теле плотин, их основаниях и в районах примыкания, связанных с изменениями под влиянием гидроузлов условий теплообмена, температурного режима, физико-технических свойств мерзлых пород, приводящих к развитию термокарста, термоэрозии, наледообразованиям и т.п.

Одновременно криогенные процессы (термоабразия, солифлюкция, термокарст) оказывают воздействие на ложе и берега водохранилищ, являясь, наряду с волновой абразией, активным берегоформирующим фактором. На отвесных берегах водохранилищ криогенные процессы приобретают свою специфику в условиях периодического промерзания и оттаивания слагающих пород. В мерзлых скальных породах с блочной разбивкой в береговых примыканиях плотины из-за нарушений сплошности и расширения швов фильтрация может резко (в разы) усиливаться.

Гидросооружениям зоны ММП также свойственно увеличение объемов водохранилищ и их площадей против проектируемых (по разным оценкам до 15% и более), в основном за счет просадок дна и роста мертвого объема в промежуточной и глубоководной зонах водоемов, что задерживает достижение нормального подпорного уровня, осложняет условия эксплуатации водохранилищ, снижает выработку электроэнергии.

1. Цифры и факты:

В период наибольшего прогревания (июль) температура воды в нижнем бьефе Вилюйского водохранилища понизилась против естественного режима на 7,8°. В то же время, после заполнения, в подэкранной области плотины возникла зона, температура которой всегда положительна. В период окончания отсыпки плотины площадь этой зоны составляла 6 %. Через 10 лет площадь этой зоны увеличилась в 3 раза. Одновременно уменьшилась охлаждаемость призмы в зимнее время. Глубина проникновения изотермы –25°С в глубь призмы снизилась с 38 до 20 м. Размах сезонных колебаний температуры наброски в нижней части призмы уменьшился в 4 раза, а в средней и верхней части – в 1,5 раза; среднегодовая температура наброски внутренней зоны повысилась с –8,6 до –4,5°С, а размах сезонных колебаний уменьшился с 9,9 до 5,9°С.

В мерзлотоведении известно, что вертикальное тепловое влияние водоема распространяется на глубину, равную половине диаметра водоема. Следовательно, отепляющее влияние водоема, диаметр которого окажется равным 0,6-0,7 км и более, рано или позже скажется до глубины 300-400 м.

За 50 лет в зоне влияния водохранилищ протаивает покров рыхлых ММП мощностью 15-18 м. Таким образом, средняя скорость протаивания всей толщи рыхлых мерзлых пород со средней температурой -1 °C составляет 30-36 см/год. В течение первых 10 лет протаивание проходит заметно активнее, со средней скоростью 66-82 см/год. Техногенные воздействия отражаются в активности деструктивных криогенных процессов в ходе сезонного протаивания. Мерзлые породы начинают протаивать на 8-10 дней ранее, а глубина протаивания приблизительно в 2 раза больше, чем в естественных условиях.

При проектировании противофильтрационных завес Вилюйской и Усть-Хантайской плотин проницаемость скальных массивов оценивалась по данным исследований руслового талика. Однако по мере накопления опыта выявлено, что проницаемость оттаивающих пород может быть на 2-3 порядка выше, чем проницаемость руслового талика.

На участках рыхлых отложений с льдистостью до 40% разрушение берегов в процессе термоабразии наиболее активное (4-6 м/год и более). С увеличением льдистости пород возрастает скорость термоабразии, а если льдистость пород больше некоторого критического значения, разрушение берега приобретает незатухающий характер. Скорость разрушения берегов со временем увеличивается от 4-5 до 10-12 м/год. Это вызвано, в основном, усилением тепловой просадки подводного склона с течением времени и, как следствие, постепенным возрастанием энергии воздействующего на берега волнения.

Для ГЭС на мерзлоте характерно увеличение объемов водохранилищ и их площадей против проектируемых (до 15% и более) и роста мертвого объема за счет просадок на дне значительных блоков пород после их протаивания. В криолитозоне обводнение горных пород под дном водохранилища развивается по мере их оттаивания, которое может продолжаться десятки и сотни лет.

Самая северная краевая ГЭС была построена ещё в 1963-1975 гг. на реке Хантайка для нужд Норильского ГМК. Характерно название поселка гидростроителей – Снежногорск. Сегодня Усть-Хантайская ГЭС является одной из самых северных гидроэлектростанций в мире. Ее среднегодовая выработка электроэнергии – 2 млрд. кВтч

Процесс оттаивания ММП в районе гидроузла Усть-Хантайской ГЭС продолжался 19 лет. У Вилюйского гидроузла в первые четыре года многолетнемерзлые породы протаяли под плотиной на глубину в 9 м, в остальные годы - на 6-9 м, а наибольшая величина протаивания достигала 14 м.

Усть-Илимская гидроэлектростанция— на реке Ангара в Иркутской области, в городе Усть-Илимск. Является третьей ступенью Ангарского каскада ГЭС, после Иркутской и Братской ГЭС.

Мощность 3,84 ГВт. Высота верхнего бьефа над уровнем моря (НПУ) составляет 296 м. По плотине ГЭС проложен автодорожный переход, по которому закрыто движение. Судопропускных сооружений ГЭС не имеет, в перспективе предусмотрено сооружение судоподъёмника

В условиях суровых зим из-за образования временного слоя мерзлых пород происходит осадка основного сооружения. Так было на Усть-Илимской ГЭС, поскольку в её каменной наброске образовался клин мерзлого тела, который затем растаял.

Курейская ГЭС на р.Курейка (впадает в Енисей) Красноярский край

Авария 1992 г. на русловом участке каменно-земляной плотины Курейской ГЭС, построенной в 1989-1992 гг., была вызвана суффозионными нарушениями фильтрационной прочности контакта ядра плотины со скальным основанием. 26 июля 1992 г. произошел прорыв напорного фронта плотины и фильтрация увеличилась с 20 до 1750 л/с. Прорыв сопровождался выносом значительного объема грунта, проседанием верхового откоса плотины, образованием продольных трещин и воронки на низовом откосе. Наиболее высока аварийность (более 80%) у низконапорных грунтовых плотин мерзлого типа и дамб в хвостовой части водохранилищ.

Особенностью северных рек на вечной мерзлоте являются резкие колебания расходов. Хантайка весной "полнеет" в 200 раз(!), а в зимнее время станции испытывают дефицит притока воды.

Мамаканская ГЭС на р.Витим (впадает в Лену) в Иркутской области

Например на Мамаканской ГЭС (первой из станций на мерзлоте) зимой работает всего один генератор из четырех.

Грунты

Несущая способность причальных набережных зависит от характеристик грунтов основания и обратной засыпки. Прочность глинистого грунта зависит от продолжительности действия нагрузки, а в грунтах, обладающих ползучестью, уменьшается со временем до длительной прочности.

По этой причине активное давление грунта может существенно возрасти, а пассивное – снизиться. Боковое давление глинистого грунта может возрасти в несколько раз и даже приблизиться к величине пассивного давления водонасыщенной глины, если создаются условия для его набухания, например, при контактной фильтрации. Аналогичный эффект возникает при морозном пучении водонасыщенного грунта.

К слабым грунтам следует относить глинистые грунты с влажностью более 0,8, которые в интервале давлений 0,05…0,3 МПа имеют модуль деформации меньше 5 МПа. Малая несущая способность грунтов, большие объемы осадок, значительные сроки стабилизации делают возведение на данных грунтах причальных сооружений процессом сложным и трудоемким.

В естественном залегании слабые грунты обладают незначительной плотностью – при нагрузке 0,1…0,15 МПа сжимаемость их составляет 10 – 15 % мощности сжимаемого слоя. Уплотнение слабых грунтов происходит в течение длительного промежутка времени, иногда десятилетиями, в связи с малой фильтрационной способностью (коэффициент фильтрации 10^-6…10^-9 см/с).

12
• Далее ⇒