Особенности организации инженерно-геокриологического мониторинга автомобильных дорог, эксплуатируемых на территориях распространения многолетнемерзлых пород

Хименков Александр Николаевич кандидат геолого-минералогических наук ведущий научный сотрудник, Институт геоэкологии РАН 101000, Россия, г. Москва, Уланский ппроезд, 13, стр. 2 Khimenkov Aleksandr Nikolaevich PhD in Geology and Mineralogy Leading Scientific Associate, the Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 101000, Russia, Moskva oblast', g. Moscow, ul. Ulanskii Proezd, 13, stroenie 2 a_khimenkov@mail.ru Другие публикации этого автора     Сергеев Дмитрий Олегович кандидат геолого-минералогических наук заведующий, Институт геоэкологии Российской академии наук 101000, Россия, г. Москва, Уланский проезд, 13, стр. 2 Sergeev Dmitrii Olegovich PhD in Geology and Mineralogy Head of the Laboratory of Geocryology, Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 101000, Russia, Moscow, Ulanskii Pereulok Street 13, building #2 cryo2@yandex.ru Другие публикации этого автора     Кулаков Артём Павлович младший научный сотрудник Институт геоэкологии РАН 101000, Россия, г. Москва, ул. Уланский, 13 строение 2 Kulakov Artem Pavlovich Junior researcher, Institute of Geoecology RAS 101000, Russia, Moscow, Ulansky str., 13 building 2 unruso@mail.ru

Романов Андрей Вячеславович Главный инженер, ФКУ УПРДОР Забайкалье 672010, Россия, Забайкальский край, г. Чита, ул. Анохина, 17 Romanov Andrei Vyacheslavovich Chief engineer of FKU UPRDOR Zabaikalia 672010, Russia, Zabaikalsky Krai, Chita, Anokhina str., 17 uprdorzabaikalie@mail.ru

Работа выполнена в рамках государственного задания № 122022400105-9 по теме “Прогноз, моделирование и мониторинг эндогенных и экзогенных геологических процессов для снижения уровня их негативных последствий”.

Введение

В последние годы на территориях распространения многолетнемёрзлых пород построены тысячи километров современных автомобильных дорог с твёрдым покрытием. Как оказалось, существующие методы проектирования, строительства и эксплуатации не обеспечивают необходимых параметров надёжности и безопасности функционирования данных инженерных сооружений. Значительные участки дорожного полотна оказалась деформированы сразу после строительства. Разрушения продолжаются в процессе эксплуатации, причём повторяются и после проведения ремонтных работ. Данные тенденции наблюдаются во всех регионах России (Западная Сибирь, Таймыр, Якутия, Забайкалье), с различными геокриологическими условиями, что нашло отражение в публикациях ряда исследователей: В. Г. Кондратьев, С.В. Кондратьев, Е А. Бедрин, А. А. Дубенков, В. А. Исаков, В.И. Гребенец, Я. И. Торговкин и др.

Очевидно, что частично данная проблема может быть решена за счёт улучшения качества работ на стадиях изысканий, проектирования и строительства. Одной из причин этого является недостаточная изученность закономерностей взаимодействия инженерных сооружений дорог и окружающей природной среды, выражающаяся в формировании особой геотехнической системы (ГТС). Следует учитывать, что создание ГТС автомобильная дорога-мёрзлый грунт, значительно влияет на геокриологические условия территорий, меняя рельеф, температурный режим и свойства мёрзлых пород, поверхностные и гидрологические условия, растительность, обводнённость и др. Данные ГТС, имея протяжённость в сотни и тысячи километров, активно влияют на мерзлотные условия, что выражается в резком усилении парагенетически связанных комплексов криогенных процессов, приводящих к развитию деформаций на объектах автомобильных дорог. Инженерные сооружения (насыпи, выемки, водопропускные сооружения) и естественные грунты в их основании – будут претерпевать изменения под воздействием соответственно природных и техногенных факторов. То есть происходит своего рода адаптация созданной ГТС к изменённым геокриологическим условиям, с потерей функций технической составляющей. Этой отрицательной адаптации следует противопоставить положительную адаптацию, заключающуюся в формировании новой устойчивой ГТС (хотя и на локальных участках) соответствующей изменившимся природным условиям. Для этого необходимо проведение комплекса работ включающего:

1. Фиксации деформаций, наблюдаемых на сооружениях автомобильной дороги (полотно, насыпь, берма, придорожная канава и др.) выявление разрушающихся участков;

2. Проведение дополнительных исследований по выявлению деструктивных процессов, а также тенденции и интенсивности их развития;

3. Разработка проектных решений, обеспечивающих функционирование нарушенного участка в новых прогнозируемых геокриологических условиях;

4. Проведение инженерно-восстановительных работ, обеспечивающих устойчивое длительное функционирование объекта.

Данный перечень работ должен входить в комплекс инженерно-геокриологического мониторинга автомобильных дорог, проложенных на территории распространения многолетнемёрзлых пород. В настоящее время, нормативная база, регламентирующая данные направления разработана недостаточно. В «СП 313.1325800.2017. Свод правил. Дороги автомобильные в районах вечной мерзлоты. Правила проектирования и строительства» основное внимание уделено технологиям строительства в криолитозоне. ОДМ 218.2.086-2019 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОМУ ПРОГНОЗИРОВАНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ДОРОЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ, СТРОИТЕЛЬСТВ предназначен для опытно экспериментального применения при проектировании и реконструкции дорожных насыпей, на многолетнемёрзлых грунтах и разработки прогноза их тепловой устойчивости.. ОДН 218.046-01, ПНСТ 542-2021, ОДМ 218.8.001-2009 «Методические рекомендации по специализированному гидрометеорологическому обеспечению дорожного хозяйства». и ОДМ 218.8.002-2010 «Методические рекомендации по зимнему содержанию автомобильных дорог с использованием специализированной гидрометеорологической информации (для опытного применения)» разработаны для других условий и использоваться могут фрагментарно. Введённый в 2023 г. ОДМ 218.11.007-2023 «Методические рекомендации по организации инженерно-геокриологического мониторинга и оборудованию инженерно-геокриологических мониторинговых стационарных постов в полосе отвода автомобильных дорог в криолитозоне», значительно улучшил ситуацию. В нём объединены различные направления контроля состояния автомобильных дорог, проходящих на территории распространения многолетнемерзлых пород:

- сбор, хранение, обработка и анализ информации о состоянии мерзлых грунтов, происходящих в них процессах и явлениях, а также изменениях их состояния;

- оценка состояния мерзлых грунтов и прогноз изменения состояния под воздействием природных и (или) техногенных факторов;

- разработка предложений о предотвращении негативного воздействия на многолетнемерзлые грунты;

- оценка эффективности проводимых мероприятий по контролю за состоянием мерзлых грунтов;

- создание базы данных интегрирующих информацию, полученную в входе проведения мониторинга.

Введенный ОДМ, несомненно, будет способствовать улучшению контроля за состоянием автомобильных дорог, проложенных в районах распространения многолетнемёрзлых пород. Принятый документ носит рекомендательный характер, поэтому здесь не проработаны некоторые технологические аспекты, которые снижают эффективность его применения. Не указаны, какое подразделение и в каком режиме, осуществляет получение первичной информации. Это могут делать эксплуатирующие организации в режиме нерегулярного посещения или в периодическом режиме с чётким указанием сроков. Их могут осуществлять и сотрудники аналитического центра, сформированного эксплуатирующей организацией, или аналогичного центра в рамках Росавтодора. Данные наблюдения могут проводить и сторонние организации, осуществляющие научное сопровождение. Не показано как будет синхронизироваться информация со стационарных постов автоматического наблюдения и информация, полученная из полевых наблюдений. Из ОДМ не ясно, где будет сосредоточена первичная информация и как будут организованы информационные потоки между различными подразделениями. Не отражён в нём порядок проведения углублённых инженерно-геокриологических работ на участках интенсивного развития опасных криогенных процессов. Не показан алгоритм принятия управленческих решений. Эти и другие нерешённые вопросы создания системы инженерно-геокриологического мониторинга автомобильных дорог, эксплуатируемых на территориях распространения многолетнемёрзлых пород, показывают, что данная проблема далека от своего завершения и требует дальнейшей разработки

Целью данной статьи является анализ состояния существующих методов инженерно-геокриологического мониторинга автомобильных дорог, эксплуатируемых на территории распространения многолетнемёрзлых пород. А также разработка предложений по его совершенствованию.

Мерзлотные условия, криогенные процессы, деформации объектов автомобильных дорог в области распространения многолетнемерзлых пород

Отличительной чертой автомобильных дорог на территории криолитозоны является разнообразие мерзлотных условий, проявляющееся в различии взаимодействия автомобильной дороги с грунтами оснований. Грунтовые толщи на пересекаемых автомобильными и железными дорогами территориях отличаются большим разнообразием мерзлотных условий, отражающихся в криогенном строении, льдистости, температуре. Формируемые в результате строительства дороги насыпи или выемки меняют теплообмен с подстилающими породами и вызывают значительные изменения в них. Пересечение таликов может привести к их промерзанию, высокотемпературные мёрзлые породы могут, наоборот оттаять, а в низкотемпературных температура может повыситься. Температурным изменениям соответствуют фазовые переходы и миграционные процессы, которые в свою очередь вызовут развитие серии криогенных процессов в подстилающих породах, просадки, пучение, фильтрацию воды термосуффозию и др., различие типов теплового взаимодействия насыпей и подстилающих пород. Геоморфологические, геологические, климатические, геоботанические и геокриологические условия различных регионов криолитозоны влияют на динамику температурного поля, восприимчивость вечномёрзлых пород к техногенным нагрузкам и потенциал развития неблагоприятных криогенных процессов в пределах ГТС автомобильных и железных дорог ^[1].

В качестве примера приведём пространственную дифференциацию температуры грунтов в ландшафтах федеральной дороги «Колыма». Грунты с высокими температурами (от 0 до −2 °С) занимают 25% территории, средние температуры (от −2 до −4 °С) встречаются на 54% рассматриваемой территории, грунты с низкими температурами (от −4 до −6 °С) занимают 18% и самые низкие температуры грунтов (ниже −6 °С) встречаются на 3% территории. Значения глубины сезонного протаивания в буферной зоне автомобильной дороги «Колыма» подразделяются на 5 интервалов. Значения до 1 м и 1-1.5 м занимают по 16% территории. Глубина протаивания 1.5-2 м прослеживается в 30% от общей территории, >2 м занимает 33% и 2-2.5 м – 5% от общей территории ^[2].

Наряду с локальными различиями геокриологических условий, влияющих на взаимодействие дороги и подстилающих пород и отражающих ландшафтную неоднородность, значительную роль играет и их региональная изменчивость, связанная с зональными климатическими изменениями. Проведённое В. А. Исаковым моделирование температурного поля для 11 пунктов в криолитозоне России показало наличие значительной региональной дифференциации в динамике геокриологической обстановки в основании дорожных насыпей ^[1]. Им было выделено 4 основных типа квазистационарного поля (с относительно стабильной среднегодовой температурой грунтов на разных глубинах) насыпных и естественных грунтов в пределах ГТС автомобильных и железных дорог в криолитозоне (рис. 1).

А) Устойчивый тип (Амдерма, Анадырь) – характеризуется стабильностью или понижением температуры насыпных и естественных грунтов и подъёмом кровли вечной мерзлоты в пределах сооружения.

Б) Переходный низкотемпературный тип (Воркута, Тазовский, Норильск) характеризуется повышением температуры грунтов в пределах отрицательных значений при подъёме кровли вечной мерзлоты и, в отдельных случаях, локальным понижением температуры под основной площадкой насыпи. Положение верхней границы многолетнемёрзлых пород приближена к конфигурации поверхности насыпи. У подножий откосов формируются таликовые зоны незначительной (до 1-2 м) мощности.

В) Переходный высокотемпературный тип (Нарьян-Мар, Салехард, Якутск) характеризуется значительным повышением температуры в основании насыпи и формированием таликовых зон под откосами насыпей. Под основной площадкой сохраняется отрицательная среднегодовая температура насыпных и многолетнемёрзлое состояние естественных грунтов при их высокой (не ниже -1°С) температуре.

Г) Неустойчивый тип (Краснощелье, Чита, Бомнак) – характеризуется формированием значительной по мощности чаши оттаивания под дорожной насыпью. Характер залегания кровли многолетнемёрзлых грунтов для пунктов с различными типами квазистационарного температурного поля грунтов представлен на рис. 1.

Рис. 1. Положение кровли многолетнемёрзлых пород в основании насыпи в регионах, характеризующихся различными типами квазистационарного состояния температурного поля ^[1].

Трансформация мерзлотных условий и формирование интразональных ландшафтов, связанных с активизацией криогенных процессов на участках, прилегающих к автомобильным дорогам.

Строительство и эксплуатация автомобильных и железных дорог приводят к значительным изменениям мерзлотных условий на прилегающих территориях и активизации на них опасных инженерно-геокриологических процессов. Здесь активно начинает формироваться зона природно-антропогенных ландшафтов, в которых наблюдается трансформация первичной структуры исходного ландшафта. Вследствие дополнительной обводнённости или иссушения (вблизи выемок) изменяется состав растительных сообществ. Вследствие нарушения поверхностного стока образуются поверхностные водоёмы, вблизи водопропускных сооружений активизируются эрозионные и термоэрозионные процессы, Нарушение условий теплообмена, приводят к протаиванию льдистых грунтов и просадкам. В других случаях нарушение поверхностных условий может привести к промерзанию талых грунтов и пучению. В бортах выемок и в местах водопропуска начинают активно развиваться наледи. Поскольку автомобильные дороги имеют протяжённость в сотни и тысячи километров, то при их строительстве зональные и региональные факторы формирующие ландшафты, и соответственно мерзлотные условия, трансформируются. Вдоль автомобильных формируется узкая зона интразональных ландшафтов (от лат. «intra» – внутри) с повышенной динамикой природных, в том числе криогенных процессов, представляющих опасность для инженерных сооружений. Данные ландшафты возникают, когда какой-либо из факторов, важных для их образования, в нашем случае ГТС - автомобильная дорога, настолько сильно выражен, что подавляет или меняет влияние других факторов (климата). Таким образом, ландшафт (неделимый по зональным и региональным факторам) распадется на локальные геосистемы, отличающиеся по вещественному составу и структуре поверхностных отложений, мезо- и микроформам рельефа, влагообеспеченности, температурному режиму. Выделяется 5 групп по степени активизации процессов, формирующих интразональные ландшафты: слабая, умеренная, средняя, сильная, катастрофическая. Степень активизации оценивается, в первую очередь, по площади ландшафта, которая может быть поражена криогенными процессами на территории освоения. Кроме того, оценивается скорость развития криогенных процессов, степень преобразования и расчленения первичного рельефа, возможность затухания процессов за счет естественных природных факторов. Слабая активизация процессов означает, что криогенные процессы в связи с техногенными причинами занимают не более 10% площади ландшафта, умеренная – до 50%, средняя – примерно половину площади ландшафта, сильная – более 50%, катастрофическая – более 90% ^[3].

В качестве примера влияния автомобильной дороги на прилегающие территории рассмотрены результаты исследований изменения поверхностных условий и криогенных процессов в пределах торфяника, пересекаемого автомобильной дорогой, покрытой бетонными плитами на территории Пур-Тазовского междуречья (рис. 2) ^[4]. На участках, прилегающих к насыпи автомобильной дороги, наблюдается существенное различие между темпами деградации участка к юго-востоку и к северо-западу от автомобильной дороги. При таянии снега сток с водоразделов (красные стрелки) скапливался у подошвы склона водораздела. Далее сток распределялся частью к озерам и частью к дороге (желтые стрелки). Скопление воды в придорожных канавах привело к развитию термокарста. Здесь термоденудационные процессы, связанные с вытаиванием полигонально-жильных льдов ПЖЛ, аналогичны по обеим сторонам дороги. На некотором удалении соотношение процессов резко меняется. На исследуемой территории наблюдается общий уклон поверхности в северо-западном направлении. В этом направлении в ненарушенных условиях сбрасывались поверхностные воды. Дорожная насыпь явилась своеобразной плотиной, затрудняющей естественный сброс поверхностных вод. В основании насыпи, проложена водопропускная труба, приуроченная к понижению рельефа. На северо-западном участке по вытаявшим жильным льдам сформировался термоэрозионный овраг, вершина которого приурочена водопропускной трубе. По нему поверхностные воды отводились в ближайшее озеро. Прилегающие поверхности остаются стабильными, здесь активизации термоденудационных процессов не отмечается. На юго-восточной части территории наблюдается иная картина. Здесь, насыпь перекрывает поверхностный сток. Водопропускная труба не обеспечивает достаточный сброс воды. В результате подпора поверхностных вод происходит резкая активизация термокарста по повторно-жильным льдам (рис. 2).

Рис. 2. Схема перераспределения поверхностного стока воды: 1 – сток с водораздела; 2 – сток вдоль подножья насыпи и вдоль полигональных канав торфяника; 3 – водопропускная труба ^[4].

Автомобильная дорога, затруднив поверхностный сток, оказала стабилизирующее действие на термоденудационные процессы в северо-западной части полигонального торфяника, сведя их к локальному развитие термоэрозионных оврагов. В юго-восточной части наоборот разрушение мёрзлых пород активизировалось за счёт площадного развития термокарста по повторно-жильным льдам ^[4]. Аналогичный пример рассмотрен в работе Я. В. Тихонравовой ^[5], здесь также наблюдается значительное влияние автомобильной дороги в активизации термоденудационных процессов на прилегающих территориях и резкая асимметричность в их проявлениях (рис. 3).

Рис. 3. Расположение и микрорельеф торфяника в хасырее Пур-Тазовского междуречья (рисунок составлен: Я.В. Тихонравовой, Е.А. Слагодой): 1 – полигоны; 2 – полигональные ванны, заболоченные понижения; 3 – межполигональные понижения; 4 – контуры валиков полигонов (а), трещины высокого порядка генерации (б); 5 – обводненные межполигональные понижения (а), обводненные промоины по вытаявшим участкам полигонально-жильных льдов (б); 6 – расчистка В8 (а), места отбора проб поверхностных вод (б); 7 – водопропускная труба и направление стока ^[5].

Деформации полотна автомобильных дорог в условиях распространения многолетнемерзлых пород.

Деформации автомобильных дорог, эксплуатируемых в области распространения многолетнемерзлых пород, имеют различные формы, масштабы проявлений и вызывающие их причины. Они распространены во всех климатических и ландшафтных зонах, от суровых условий северной Арктики до южной зоны распространения многолетнемерзлых пород ^{[6, 7]} и др. Рассмотрим некоторые типовыё виды деформаций.

Длинноволновые продольные деформации. Данный тип деформаций развивается в условиях закономерных изменений продольных уклонов земляного полотна в соответствии с неровностями естественного рельефа и связан с комплексом причин: изменением высоты насыпи при переходе от котловины к поверхности останцов, где высота насыпи резко уменьшается; неровностью кровли мерзлых пород, связанной с наличием т