Защита грунтовых плотин от солнечной радиации северной климатической зоне

Защита грунтовых плотин от солнечной радиации как средство повышения их надежности в северной строительно-климатической зоне

Борткевич С. В., Красильников Н. А., Олимпиев Д. Н., кандидаты техн. наук, Иванников В. М., инженер АО «НИИЭС»

Территория районов Крайнего Севера, где рас-пространены вечномерзлые грунты, составляет (рис. 1) почти 58 % территории России. Одним из основных элементов освоения этих районов явля-ется строительство и надежная эксплуатация низ-ко- и средненапорных грунтовых плотин. До настоящего времени эти сооружения являются весьма уязвимыми, их аварийность значительно превышает соответствующий показатель для остальной территории России. Основная причина такого положения — сложные геокриологические и другие природные условия: недостаточное внимание к вопросам изысканий, проектирования, исследования и расчета грунтовых плотин, возводимых и эксплуатируемых в Северной строительно-климатической зоне (ССКЗ), в частности и недостаточная разработка вопроса о влиянии солнечной радиации на условия работы грунтовых плотин в районах Крайнего Севера. Данные о высоте и длине 60 грунтовых плотин в ССКЗ, геологических и геокриологических условиях основания, конструкции, условиях эксплуатации, инцидентах и авариях приводятся в [1]. Все эти плотины построены на вечной мерз-лоте. Большинство сооружений имеет высоту 10 -20 м. Примерно на третьей части этих плотин зафиксированы инциденты в процессе эксплуатации. Большинство инцидентов связаны с наруше-нием тепловой устойчивости грунтов в основании, теле, береговых примыканиях или в зоне водосброса. Чем меньше плотина, тем больше влияние на нее солнечной радиации в летний период.

Рис. 1. Схематическая карта зоны Севера России:

1 — граница северной строительно-климатической зоны; 2 — граница районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий; 3 — южная граница распространения вечномерзлых грунтов; 4 — Полярный круг

Данные о гидрометеорологических факторах, влияющих на инженерное сооружение в ССКЗ, приведены в [2]. В этом документе вся территория бывшего СССР разделена на 14 климатических районов, а территория ССКЗ отнесена к первым пяти из них. По каждому климатическому району приводится информация по 10 позициям: темпера-туре воздуха, относительной влажности воздуха, солнечному излучению, снежному покрову, атмо-сферным осадкам, туманам, облачности, атмосфер-ному давлению, ветру, сочетаниям климатических факторов. По крайней мере, пять из этих позиций имеют непосредственное отношение к безопасно-сти грунтовых плотин, построенных в ССКЗ. Чем меньше высота плотины, тем больше их влияние. Это температура воздуха, солнечное излучение, от-носительная влажность воздуха, атмосферные осадки, снежный покров. В приведенной ниже таблице № 1, взятой из [2] даны материалы о солнеч- ной радиации для пяти климатических районов территории ССКЗ: помесячные данные об энерге-тической экспозиции прямого S и суммарного Q солнечного излучения и баланса излучения В. Сравнения между собой значений баланса солнеч-ного излучения за июнь и июль и в среднем за год в Якутске, Оймяконе, Салехарде, Тикси и в Москве приводятся в табл. 2.

В области распространения вечномерзлых грунтов лето короткое, но воздух в отдельные периоды нагревается до 30-35 °С. В летний период небо обычно ясное, день продолжительный, условия теплопередачи энергии солнца, а также непосредственное использование внешнего теплообмена оказываются достаточно эффективным, и за счет солнечной энергии поверхностные слои основания нагреваются и лед, содержащийся в грунте, вытаивает.

Как известно, значительная часть радиации солнца отражается от земли, в которой происходит превращение лучистой энергии в тепловую. Отно-шение количества отраженной поверхностью грунта энергии излучения к количеству падающей на нее лучистой энергии — альбедо зависит от характера поверхности. Некоторые данные, приводимые ниже, показывают, что альбедо изменяется в очень широких пределах: от 0,85 для свежевыпавшего снега до 0,05 для свежевспаханной темной влажной почвы:

Снег свежевыпавший ……………………………….. 0,85

Снег загрязненный …………………………………… 0,40

Трава зеленая …………………………………………. .0,28

Оголенная почва светлая ………………………….. 0,35

то же темная, сухая…………………………0,15

то же влажная ………………………………….. …0,10

то же свежевспаханная …………………….. …0,05

Альбедо, характеризующее отражающую спо-собность поверхности, в естественных условиях может также изменяться в широких пределах и за-висит от влажности и плотности поверхности грунта оттаиваемого массива, вида и густоты растительного покрова, высоты солнца, облачности и других факторов. При расчетах принимают следующие значения альбедо в зависимости от вида поверхности: снежный покров зимой 60 — 80, весной 40 — 50, песок речной 29, галечник светло-желтый 21, оголенный грунт талый 15-25, обнаженная супесь мерзлая 18-20, талая 12-16%. При расчистке снежного покрова весной альбедо понижается до 20 — 25 %, а радиационный баланс увеличивается почти вдвое. Удаление с поверхности грунта мохоторфяного покрова увеличивает радиационный баланс на 10-15 %. При удалении растительного и снежного покрова затраты теплоты на испарение несколько сокращаются, но тем не менее они являются основной расчетной составляющей суммарной радиации за летний период (до 38 %). Таким образом, путем искусственного изменения характера поверхностного покрова можно изменить радиационный баланс поверхности грунтов в 1,5 — 2 раза и тем самым интенсифицировать оттаивание и прогрев мерзлого

грунта. Но процесс управляемого теплообмена между грунтом и атмосферой этими обстоятельствами не ограничивается. Проведенными исследованиями было установлено, что, например, экран из полимерных пленок свободно пропускает солнечные лучи и задерживает при обычной температуре до 90 % инфракрасной радиации. При этом температура поверхностного слоя грунта под пленкой за счет снижения интенсивности процессов излучения и особенно испарения повышается до 8 °С по сравнению с естественными условиями. Итак, при оптимальном сочетании приемов тепло- вой мелиорации удается добиться повышения глубины сезонного оттаивания на 40 — 50 % и более.

В летний период (май — сентябрь) тепловой по-ток в ССКЗ за счет солнечной радиации вполне до-статочен для оттаивания льдонасыщенных грунтов в основании строящихся грунтовых плотин. Например, при подготовке основания плотин на р. Сыты- кане и ручье Новом льдонасыщенные грунты были удалены только под верховым клином, так как здесь встречались линзы — льды мощностью до 1,5 м. На остальных участках были выполнены только работы по инженерной мелиорации — естественному оттаиванию льдонасыщенных грунтов в летний период. При этом мохо-торфяной слой был снят до минерального грунта еще ранней весной и основание в течение всего летнего периода прогре-валось, в результате чего осадки грунтов основания произошли еще до возведения плотин.

Искусственное оттаивание мерзлых грунтов ме-тодами тепловой и водно-тепловой мелиорации широко используется в горнорудной промышлен-ности при разработке россыпных месторождений полезных ископаемых. Но если в горнорудной про-мышленности для разработки грунтов достаточно их оттаивания, то для грунтов, используемых при гидротехническом строительстве, требуется допол-нительно уменьшить влажность грунтов, которые после оттаивания переувлажнены. Поэтому при за-готовке грунтов задача состоит в эффективном ис-пользовании солнечного излучения для оттаивания мерзлых грунтов, их подсушки, а также аккумули-рования теплоты для создания оптимального теп-лового баланса грунтов при зимней укладке в каче-ственные насыпи.

Наиболее эффективными приемами управления испарением в весенне- летний период, а следовате-льно, и влажностью грунтов являются расчистка снежного покрова; удаление древесной и кустарни-ковой растительности, мохо-торфяного слоя; изме-нение структуры поверхности слоя; применение пленочных покрытий; устройство открытого дренажа для перехвата и отвода поверхностного стока. Расчистка снежного покрова позволяет не только уменьшить затраты теплоты на испарение, но и полнее использовать солнечную энергию на оттаивание мерзлых грунтов.

На Крайнем Севере весной (апрель, май) сол-нечная радиация лишь на 10 — 15 % меньше макси-мальной, однако теплота не поступает в грунт из-за высокой отражательной способности и плохой теп-лопроводности снежного покрова. Возможно защитить мерзлые грунты основания и тела плотины от притока тепла солнечной радиации и другими способами, например специальными навесами и теплоизоляционными покрытиями. Тогда температура вечно- мерзлого грунта будет существенно понижаться.

На ручье Портовом у пос. Амдерма построена грунтовая плотина в зоне тундры со среднегодовой температурой минус 10,5 °С (рис. 2). Суммарное количество отрицательных градусо-часов — 100 тыс, а положительных — 10 тыс. Основание плотины — четвертичные отложения, подстилае-мые изверженными породами — диабазами. Чет-вертичные отложения представлены супесями, су-глинками с включениями крупнообломочного материала, с прослоями и линзами льда. Плотина возводилась длительным наращиванием до проект-ной отметки с промораживанием слоев естествен-ным холодом. С 1942 по 1965 гг. ее высота была увеличена с 2,5 до 7 м. Верховой клин плотины вы-полнен однородным из суглинка. В пределах коле-баний уровней воды и воздействий льда верховой откос защищен отмосткой из камней диаметром около 30 см, уложенных по слою мха. Низовой клин плотины возведен из каменной наброски. Для защиты низового откоса от воздействия солнечной радиации в летнее время, а также для свободного проникновения холодного воздуха к телу плотины зимой по низовому откосу устроен деревянный на-вес с вентилируемым пространством под ним. Пло-тина служит для водоснабжения поселка. Водоза-бор выполнен в водохранилище на расстоянии 75 м от плотины и соединен с ней дамбой из каменной наброски. В теле и основании плотины после воз-ведения навеса удерживается постоянная темпера-тура порядка минус 3 — минус 5 °С. Плотина работала исправно. Примерно такого же понижения среднегодовой температуры вечномерзлого грунта можно достичь путем уборки снега зимой или лет-ней теплоизоляции больших поверхностей (опилки, пенопласты). Подобный положительный эффект охлаждения вечномерзлых грунтов много раз наблюдался в гражданском строительстве, когда под зданием или сооружением устраивалось венти-лируемое подполье. Этот способ широко применя-ется в северных районах распространения вечной мерзлоты и обеспечивает надежность и долговеч-ность сооружений.

Для того, чтобы показать как снижение темпе-ратуры грунта тела и основания грунтовой плотины на 3 — 5 ° влияет на степень устойчивости ее от-косов, на рис. 3 и 4 приводятся результаты расчета устойчивости Билибинской плотины. Эта плотина высотой 18 м (рис. 3) имеет центральное ядро из суглинков, содержащих включения гальки и гравия, дресвы и щебня; в зоне боковых примыканий количество таких включений значительно увеличи-вается. Боковые призмы плотины выполнены из песчано-гравелистых и галечниковых грунтов. Основание плотины 6 — 10-метровый слой аллювия и элювия, подстилаемых трещиноватой скалой. С основанием ядро плотины сопрягается зубом, кото-рый прорезает толщу аллювия и элювия, а также выветрелый слой скалы.

Рис. 2. Поперечный разрез грунтовой плотины в пос. Амдерма:

1 — деревянный навес с вентилируемым пространством под ним; 2 — талый грунт; 3 — мерзлый грунт

В толще и на поверхности аллювия, особенно в зоне береговых примыканий, встречаются также делювиальные и солифлюкци- онные отложения, мохорастительный слой, про-слойки торфа, которые в талом состоянии имеют показатели сопротивления сдвигу более низкие, чем аллювий. В табл. 3 приведены прочностные показатели грунтов. Для расчета устойчивости откосов грунтовой плотины, схема которой показана на рис. 3, использована методика расчета, описанная в [3], давно и успешно используемая институтами ОАО «Гидропроект» и ОАО «НИИЭС» как при проектировании грунтовых плотин, так и при контроле степени их надежности безопасности в процессе эксплуатации.1 На рис. 3 показаны результаты расчета устойчивости низового откоса плотины в мерзлом, частично мерзлом и частично талом, а также в талом состоянии для наиболее опасного случая полностью заполненного водохранилища. Показано положение наиболее опасных поверхностей скольжения при действии статических нагрузок 1 и с учетом сейсмического воздействия 2, а также соответствующие значения коэффициента устойчивости откоса для всех трех расчетных случаев: в мерзлом состоянии 6,43 и 5,52 соответственно, в талом состоянии 1,58 и 1,34. Для случая мерзлого состояния тела и основания плотины параметры сопротивления грунтов были определены при температуре ми- нус 3-5 °С.

Рис. 3. Результаты расчета устойчивости низового откоса грунтовой плотины в мерзлом, талом и смешанном состоянии:

а — положение поля центров рассмотренных в расчете окружностей скольжения; б — положение наиболее опасных поверхностей скольжения. Расчеты выполнены при статических воздействиях 1, а также при статических и сейсмических воздействиях 2. ГВ — нормальный подпорный уровень

На рис. 4 показано, как значение коэффициента устойчивости низового откоса плотины (с учетом осложняющих обстоятельств) изменяется в зависи-мости от температуры грунта низового клина соо-ружения (при талом состоянии грунта основания плотины). Нормативные значения коэффициента устойчивости ОТКОСОВ ПЛОТИНЫ Куст.норм в зависи-мости от ее класса (1, 2, 3) составляют при основ-ном сочетании нагрузок 1,32; 1,26; 1,20; при особом сочетании нагрузок с учетом, в частности, сей-смического воздействия 1,18; 1,14; 1,09. Расчеты показывают, что для плотины высотой 18 м безу-словно устойчивое состояние откоса 1:2 обеспечи-вается уже при температуре грунта откоса минус 0,5 — минус 1 °С. Это значительно меньше той от-рицательной температуры минус 3 — минус 5 °С, которая постоянно сохраняется в грунтах под защитным покрытием на поверхности сооружения, предотвращая очень опасное (даже на Арктическом побережье) влияние солнечной радиации на клин грунтовой плотины в летний период. В гидротехнической практике пока не разрабо-таны методы температурного расчета сооружений с учетом влияния солнечной радиации и современ-ные конструкции защитных шатров-навесов, хотя в гражданской практике и в практике разработки россыпных полезных ископаемых уже разработаны [4, 5] и успешно реализуются.

Рис. 4. Изменение коэффициента устойчивости Куст низового откоса грунтовой плотины в зависимости от температуры грунта низового клина сооружения (с учетом осложняющих обстоятельств):

НЭРС — нормальный эксплуатационный расчетный случай; ОРС — особый расчетный случай; нормативное значение при НЭРС куст.норм =1,32, при ОРС куст.норм = 1,18

Выводы

1. Как показывают исследования и опыт эксп-луатации грунтовых плотин в северной строитель-но-климатической зоне, на надежность и безопас-ность средне- и низконапорных грунтовых плотин существенно влияет солнечная радиация. Она является мощным фактором растепления мерзлого грунта тела плотины. При этом происходит сниже-ние прочности грунтов и устойчивости откосов со-оружения.

2. Мероприятия по защите поверхности тела плотины от солнечной радиации в весенне-летний период эффективно повышают надежность и безо-пасность плотины. Это подтверждается опытом эксплуатации нескольких плотин, описанных в [1], и широкой практикой гражданского строительства.

3. В гидротехнике методы температурного рас-чета плотин с учетом солнечной радиации пока не разработаны.

4. Для проектирования и строительства эконо-мичных и надежных грунтовых плотин в северной строительно-климатической зоне, оснащенных за-щитой от влияния на них солнечной радиации, не-обходимо, в первую очередь, выполнить соответствующий комплекс исследований и опытное проектирование с последующей корректировкой [6], а также [7].

Список литературы

1. Биянов Г.Ф., Когодовский О. А., Макаров В. И. Грунтовые плотины на вечной мерзлоте. Якутск: Сибирское отделение АН СССР, 1989.

2. ГОСТ 16650-80. Климат СССР. Районирование и статические параметры климатических факторов для технических целей. М.: 1983.

3. Рекомендации по проектированию плотин из грунтовых материалов П-1-783-88*/ Гидропроект. М.: 1988.

4. Павлов А. В., Оловин Б. А. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей. Новосибирск, 1974.

5. Коновалов А. А., Роман Л. Т. Особенности проектирования фундаментов в нефтепромысловых районах Западной Сибири. Л.: Стройиздат, 1981.

6. СНиП 2.06.05-84* Плотины из грунтовых материалов. М.: 1991.

7. Рекомендации по расчетам температурного режима плотин из грунтовых материалов, возводимых в северной строительно-климатической зоне: П15-84 / ВНИИГ, 1985.