МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР

Методические рекомендации по прогнозу изменения инженерно - геокриологических условий и развития криогенных процессов при линейном строительстве в северотаёжной зоне Западной Сибири

МОСКВА

1976г

МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР

Воеоованый научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО)

Одобрены Ученым советом ВСЕГИН1ЕО

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОГНОЗУ ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И РАЗВИТИЯ КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЛИНЕЙНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ В СЕВЕРОТАЕШОЙ ЗОНЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Москва 1976

4.

С поверхности отсутствуют, передатки и линзы в краевых частях болот

Сплошное

14-

теплооборотвш I вдов CKMX_t модность слоя о годовым колебанием температуры Н, ван правило, не превышает 10 м я величина qH в *т«м" (2.1) омаяввнетоа в пределах точности ииераиня температуры.

Для расчетов    по    формуле    (2.1) необходимо использовать

средномногодетняе ведячяян климатических показателей. Поправочные ковффициввты оорехеднятоя в процессе региональных исследований либо по оущвотвумош формулам / 2 /. Расчет следует производить для определенных типов ЛК о учетом прогноаа азнвненвй в их пределах.

Значения температурных поправок, отражайте влияние различных природных факторов ва температурный режим грунтов в пределах ЛК, приведены в табл.2. Согласно проведенным по формуле (2.1) раочетам среднегодовой температуры грунтов нсоладуеыой территории ваихудане результаты (с оявбкой до 2°С) подучены для участков о неодномерным распределением тепла, а танке о неуотановиваныся теипературным репном.

Использование формулы (2.1) не первом этапе прогноаа изменения геокриологических условий при строительстве н эксплуатации газопровода позволяет оперативно оценить изменения среднегодовой температура грунтов, рекомендовать мероприятия для сохраненяя оптимального температурного режима. При этом расчет может быть произведен век дня ореднемноголетних климатических условий, так и для самого теплого или самого холодного года.

На втором этапе, для составления более точного прогноза изменения инженерно-геокриологической обстановки ва конкретной участке при осуществления конкретных мероприятий могут быть использованы формулы Г.В. Порхаева /9/ и Г.М. Фельдмана либо поставлены зелени на гидровнтеграторе.

2.2.2. Расчет экстремальных значений температуры грунтов.

При теплотехнических расчетах различных объектов линейного сооружения требуется знать экстремальные температуры грунта аа разных глубинах./ IX/. Для расчета таких температур, согласно реноиен-дацням СНЯЛ 0-Б.&-66, нужно иметь представление о теплофизячеоках характерно г юсах грунта, получение которых в полевых условиях связано со значительными трудностями.

Таблице 2

-16-

Экстремалыше температуры в грунтах ниже слоя сезонного промерзания (протаивания) могут быть определены по следующим упрощенным формулам (рис.2);

^Ь/Ып = /Г-Л_0/г,    ^4teP' ’    ⁽²*²⁾

(■max ^ж(ср X >

_ж (H-Z)tcp ^Х H-hom ’

где t_cp - среднегодовая температура грунта; Н - глубина 10 м, принимаемая за глубину проникновения годовых колебаний температуры; h - глубина сезонного протаивания; 2    -    глубина,    на ко

торой рассчитывается экстремальные температуры.

Расчет экстремальных температур грунта по этим формулам дает вполне удовлетворительные результаты. Некоторое увеличение абсо-лвтных значений экстремальных температур идет в запас теплотехнического расчета.

2.3. Прогноз сезонного промерзания-оттаивания грунтов.

Глубина сезонного оттаивания определяется с помощью аналитических формул и методов, основанных на использовании вычислительных машин или аналоговых устройств.

2.3.1.    Возможно использование формулы

h    (2.3)

где h - глубина сезонного оттаивания; t_n - температура поверхности грунта, см.п.2.3.3; г - продолжительность летнего сезона; Ат - коэффициент теплопроводности грунтов слоя сезонного оттаивания, ккал/м»ч.град; <у - теплота замерзания воды или таяния льда, равна 80 ккэл/кг

\M40Q0(Wc~Wh)X;

W_c - суммарная весовая влажность в долях единицы; Wh - весовое содержание незамерзшей воды в долях единицы; у - объемный вес скелета мерзлого грунта, .г/см³; С_г - объемная теплоемкость талого грунта ккал/м³*град.

2.3.2.    Если слой сезонного оттаивания состоит из двух слоев грунта с различными топлофизическими характеристиками, то глубина сезонного оттаивания может быть получена по следующей формуле:

\ Г^{гХг tnZ} h*^(erW * IT г

V aw o-U4A

где Л, - толщина первого слоя.

Индексами в формуле обозначено, к какому слою относится характеристика.

-18-

2.3*3. Температура поверхности на участках без напочвенного покрова в делом за летний сезон может приниматься равной для торфяных поверхностей не плоских торфяниках, на мелкобугристых участках и для песчаных поверхностей склонов северной экспозиции бугров и насыпей I_f05 ts среднелетяяя температура воздуха), для торфяных поверхностей на торфяно-минеральных буграх й» = 1,1 ^ , для горизонтальных песчаных поверхностей на минеральных буграх и насыпях 1,2 ti и для склонов песчаных насыпей южной экспозиции 1,3 tg .

При расчете глубины оттаивания грунтов с торфяными поверхностями продолжительность летнего сезона принимается равной продолжительности периода с положительными среднесуточными температурами воздуха (в часах) , для песчаных поверхностей минеральных бугров и насыпей - на 360 часов больше.

Величины коэффициента теплопроводности и объемной теплоемкости грунтов слоя сезонного оттаивания существенно изменяются в течение летнего сезона, поэтому разовые их определения в процессе изысканий скорей всего окажутся непредставительными. Целесообразно определять теплофизические характеристики на закрепленных площадках несколько раз в течение лета. При определении теплофизических характеристик по таблице в приложении СНЙП П-Б.6.66 /10 /в зависимости от влажности и объемного веса грунта можно ограничиться измерениями влажности грунтов на закрепленных площадках несколько раз в течение лета. Для торфов можно воспользоваться графиками, приводимыми в работе / I /• Для ориентировочных расчетов можно принимать для торфов слоя сезонного оттаивания среднелетние значения Ат * 0,26 ккал/м*чтрад, С = 600 ккал/м³*град*

Количество воды, участвующей в фазовых переходах при сезонном оттаивании и промерзании грунтов, должно определяться либо весной перед началом сезонного оттаивания грунтов, либо в начале промерзания з первой декаде октября, либо в течение зимнего сезона. Определения влажности в течение летнего сезона, как правило, дают меньшие величины влажности. При осеннем влагонакоплении происходит практически полное водонасыщение торфа* Величина влажности полностью водонасыщенного торфа ориентировочно может приниматься следующей:

19-

x    0,07    0,08    0,12    0,15    0,19    0,25

W    1000    900    750    600    480    380

Влажность минеральных грунтов под влиянием условий дрениро-ванности изменяется от максимальной молекулярной влагоемкости до полного водонасыцения. На хорооо дренируемых участках влажность оттаивающих грунтов значительно уменьшается, что необходимо учитывать при задании теплофизических характеристик оттаивающих грунтов. 8 таких условиях влажность верхнего слоя песков 30-50 см летом изменяется от 6-8 до 13-14#. Влажность нижележащих песков равна максимальной влагоемкости, т.е. 3-4%. Для верхнего слоя среднелетнее значение А_г = 1,2 ккал/м*ч*град и 500 ккад/м⁸’град. Для песков с влажностью равной максимальной молекулярной влагоемкости А_т = 0,7 ккал/м* ч* град, С,= 400 ккал/м⁸.град. Для полностью водонасыщенных песков А_г = 1,6 ккал/м.ч.град, (3^.= 600 ккал/иэ. град.

2.3.4.    Для ориентировочных расчетов можно принимать следующие глубины сезонного оттаивания грунтов на трассах линейных сооружений в зависимости от типа природно-территориального комплекса (м): плоские торфяники 0,50 - 0,65; мелкобугристые участки 0,4-0,7; переходные и низинные болота 0,7; торфяно-минеральные бугры и гряды 0,5-0,9; минеральные бугры и гряды 2,4-3,0.

2.4.    При подземной прокладке трубопровода расчеты его теплового взаимодействия с оттаивающими грунтами на стадии проектного задания целесообразно проводить по методу Г.В. Порхаева / 8,9 /.

Метод Г.В. Порхаова применяется при глубине заложения оси трубопровода большей, чем диаметр трубы.

2.4.1. При прокладке трубы в обваловке или при нулевой глубине заложения трубопроводе, считая до оси трубы, глубина оттаивания грунта под трубой за время Z определяется по формуле

h_v“(4-l) X₀ ,    (2.5)

где г„ - радиус трубы.

Коэффициент $ находится по графику на рис.З по значению параметра 7 « вычисляемому по формуле

7=    £г

tftfo'W    (2.6)

УДК 551*34.001.18*621.643 (57I.I2I)

Методические рекомендации по прогнозу изменения инженерно-геокриологических условий и развития криогенных процессов при линейном строительстве в северотаежной зоне Западной Сибири.

Под редакцией В.Л. Невечерн, ВСЕГЙНГЕО, 1976, с.47.

В работе обобщается приемы и методы прогноза изменения инженерно-геокриологических условий при прокладке трасс линейных сооружений в северотаежной зоне Западной Сибири. Особое внимание обречено на прогноз развития криогенных процессов, которые, как показал опыт строительства и эксплуатации, нередко определяет прочность и устойчивость линейного сооружения.

Табл. 9, рис. 7, библ. 12 яазв.

Составили: С.Б. Гречицев, Л.Н. Крицук,

Н.Г. Москаленко, В.Л. Невечеря, С.Б. Шеиин, Ю.Л. Щур

Нэучный редактор В.1. Невечеря

Литературный редактор И.А. Демьянова Технический редактор A.Q. Жаркова Корректор Т.А. Ушакова

Ротапринтная серия К 306

© Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геология (ВСЕГИНГВО), 1976

Л. 58553    .    Подписано    к    печати    23/    т-7бг.    Тираж    500    экз.

Уч.-изд.л.3,3. Зак.(В . Цена 23 коп. ротапринт ВСЕГИНГВО.

ht - относительная глубина оттаивания многолетнеиерзлых грунтов под трубой, проложенной в обваловке; J - параметр, определяемый по формуле (2.6)

-3-

ВВЕДЕНИЕ

В связи с освоением крупных газовых и нефтяных месторождений в северотаежной зоне Западной Сибири широко развернулось строительство различных линейных сооружений (дороги, трубопроводы, линии электропередачи и связи, зимники и т.д.). Опыт строительства и эксплуатации первых сооружений показал, что влияние общего освоения территории на развитие мерзлотных деформаций нередко превосходит локальное тепловое влияние линейного сооружения. Поэтому в рекомендациях основное внимание уделено методике прогноза изменения инженерно-геокриологических условий в результате общего освоения территории (общему прогнозу). Подробно рассмотрены методы прогноза криогенных процессов, которые в условиях севера Западной Сибири зачастую определяют прочность и устойчивость линейных сооружений.

Рекомендации составлены следующими авторами: введение и § I подготовил В.Д. Невечеря, в § 2 раздел 2.1 - Н.Г. Москаленко и В.Л. Невечеря, раздел 2.2 - Л.Н. Крицук, разделы 2.3 - 2.4 -Ю.Л. Щур, § 3 - В.Л. Невечеря, § 4 - Ю.Л. Щур, § 5 - С.Е. Гречи-щев, Ю.Б. Шешин, заключение - В.Л. Невечеря.

Работа предназначена для мерзлотоведов, ивженеров-геологов, изыскателей, проектировщиков и ландшафголедов, связанных с проектированием и изысканием трасс различных линейных сооружений, прокладываемых в северотаежной зоне Западной Сибири.

-4—

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Специфической особенностью линейво-протяженвого сооружения является то, что отдельные его объекты расположены в пределах трассы, которая при ширине от 30 до 500 и имеет длину несколько сотен километров. Она пересекает районы с весьма различными ян-женерно-геокрйологическими условиями.

Для северотаежной зоны Западной Сибири вадэчи прогноза усложняются в связи с чрезвычайной пестротой инженерно-геокриологических условий, выражающейся в частом чередовании оильнольдиотых мерзлых и переувлажненных талых песчано-глинистых пород, значительном различии среднегодовых температур (от +2° до -3°С) и разной мощности слоя сезонного оттаивания-промерзания на соседних участках. Нередко резкая смена инженерно-геокриологической обстановки отмечается через 50-100 м. В пределах одного километра трассы иногда выделяется до 7 различных типов инженерно-геокриологических условий. Изменчивость этих уеловий в естественной обстановке сопоставима с изменчивостью их при освоении. Поэтому при прогнозе необходимо учитывать динамику развития природной обстановки в естественных условиях. Кроме того, этой неустойчивостью, э также интенсивным заболачиванием обусловлено широкое развитие разнообразных криогенных процессов и явлений. Наиболее широко развиты и представляют наибольшую опасность для линейных сооружений процессы пучинообразования, термокарст и криогенное растрескивание грунтов.

1.2.    В связи с вышеизложенным предлагаемая методика базируется на следующих положениях.

а. Основу прогноза составляют материалы инженерно-геокриологических съемок и изысканий, в результате которых составляются сводные инженерно-геокриологические и ландшафтно-индикационные карты ^х' и продольные профили (разрезы) трассы.

Примечание. В ряде научных и проектных организаций эти карты называются картами микрорайонирования или ландшафтными (ред.)

-5-

б.    По материалам инженерно-геокриологических исследований производится районирование (типизация) трассы на основе выделения и типизации природно-территориальных комплексов (ПТК) (микрорайонов, ландшафтов), в пределах которых наблюдается постоянство взаимосвязей различных компонентов - геологического строения, гидрогеологических и HH*eHepHo-reoi<pHGjiorH4ecKHx особенностей, современных геологических процессов, почв, рельефа, поверхностных вод, растительности и т.д. / 5 /.

в.    На основе карт районирования с учетом эксплуатационного режима определяются детальность и объем прогноза отдельных участков трассы.

Прогноз выполняется,как правило, в два этапа. На первом этапе (стадия технического проекта) производится выбор принципа использования грунтов основания, определяются рациональные типы прокладки, выявляется тенденция в развитии инженерно-геокриологической обстановки как в естественных условиях, та?; и при нарушении, вызванном строительством и эксплуатацией сооружения, определяется минимальный объем исследований, необходимый для детального прогноза.

На втором этапе (стадия рабочих чертежей) дается детальный прогноз в пределах всей трассы с оценками (в основном количественными) характера изменения как отдельных компонентов, так и инженерно-геокриологической обстановки в целом.

Методика районирования трассы разработана во ВСЕГЙНГЕО довольно подробно и описана в ряде работ, поэтому на ней останавливаться не будем.

Прогноз изменения инженерно-геокриологических условий подразделяется на прогноз изменения природных условий е результате освоения территории и создания линейного сооружения (общий прогноз) и прогноз теплового к механического взаимодействий линейного сооружения с окружающей средой.

Общий прогноз подразделяется в свою очередь на два подраздела: прогноз термовлажностного режима и прогноз криогенных процессов, так как изменение термовлажностного режима грунтов, как правило, приводит к резкой интенсификации существующих криогенных процессов и проявлению новых.

-6—

Данные, подученные в результате выполнения общего прогноза* используются при прогнозе теплового и механического взаимодейст-вий различных объектов линейного сооружения о нервными я оттаивающими грунтами. Методика этого прогноза дается в ряде специальных рекомендаций и методических работ. В данной реботе в основной приведена методика общего прогноза трасс линейных сооружений.

1.3. дли уточнения и корректировки расчетных данных, полученных в результате прогноза, рекомендуется создавать мерзлотнув службу. Основными задачами згой службы являются:

I) исследование термовлажиостяого режима грунтов в пределах трассы линейного сооружения; 2) изучение процессов сезонного оттаивания - промерзания я характера их изменения в период строительства и эксплуатации; 3) выявление характера многолетнего оттаивания ивоголетваиернинх грунтов, их просадки и степени влияния на прочность и устойчивость линейного сооружения; 4) не следование процессов пучинообрааования в грунтах я степени влияния их на устойчивость различных сооружений; 5) изучение криогенного растрескивания грунтов и степени влияния его на устойчивость различных сооружений; 6) проведение наблюдений за состоянием и мерзлотными деформациями различных объектов линейного вооружения; 7) изучение динамики новообразования ивоголетвеыералых пород и криогенных явлений на трассе; 8) иооледование метеорологических условий;

9) контроль 38 сохранностью природных условий в пределах трасом и на окружающей территории как в процессе строительства, так в в период эксплуатации линейного сооружения.

2. ПРОГНОЗ ТЕРИОВЛАКНОСТНОГО РЕЖИМА ГРУНТОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ

2.1. Прогноз терновлажностяого режима грунтов осуществляется на основе данных о характере нарушение и последующего развития природно-территориальных комплексов. Прогноз режима природных комплексов, нарушенных в результате линейного строительства, основывается на изучении закономерностей развития естественных природных комплексов (ПЗН), типичных изменений ПЕС под влиянием техногенного воздействия и выявлении тенденций их дальнейиего развития, а также на сравнении с динамикой ПТК, нарушенных линейным строительством в других аналогичных условиях.

Исследовали развития нарушенных природных коипхевоов проводятся в 3 этапа.

2.1.1.    На I этапа осуществляется подборка литературных и фондовых материалов для района предлагаемого освоения с целью выявления закономерностей естественной динамики природных комплексов, взаимосвязей ПЯС и их компонентов, а также изменений ПЗК при нарувеняя. В результате этого составляется предварительная ланднвфтно-индикэциоБЕая таблице по форме, приводимой ниже (таблЛ). Опясавия природных комплексов в таблице приведены в порядке их развития. Обычно возможна не одна, а несколько линий развития. Поэтому таблицу следует сопровождать схемой, показывающей различные возможные взаимосвязи ПТК.

Для северной тайги Западной Сибири типичны оледувщие генетические ряды природных комплексов: ряд заболачивания, приводящий к Омане залесенных ранее дренированных участков заболоченными, а ватам болотами, и ряд аградации нногожетнемврвлых пород, в хода которого болота и заболоченные участки сменяются торфяниками или буграми пучения (рис.1).

2.1.2.    На П этапе проводятся нолевые лавдиафтно-индик8циовныв исследования в период, предшествующий строительству, позволяющие охарактеризовать естественные природные комплексы района исследований, уточнить выявленные по литературным и фондовым материалам закономерности естественной динамики ПЯ£ н установить новые ранее неизвестные взаимосвязи ЩЕК в их компонентов.

Если и исследованном районе имеются линейные сооружения, следует провести на них дополнительные ландмвфтные исследования, которые позволят выявить развитие ШХ, обусловленное освоением территории и дадут возможность составить прогноа по методу аналога.

Прж линейном строительстве на севере Западной Сибири отмечается уничтожение идя сильное нвруиеияе нескольких компонентов природных комплексов (уничтожение растительного покрова, разруне-яие микрорельефа, снятие торфянистого горизонта или повреждение поверхности торфа, изменение снежного ренина), приводящее к смене естественных природных комплексов антропогенными. В зависимости от отвлеки техногенного воздействия, различной на разных участках трассы, антропогенные комплексы подразделяются на 3 группы: слабо-измененные (удален только растнтеданый покров), среднеизнененные

1а, 1г в т.д. - индексы природных комплексов, приведенные в табл. I. Смены природных комплексов в естественных условиях обозначены сплошными стрелками, в нарушенных условиях -

пунктирными

(уничтожен растительный покров, разрунен микрорельеф, снят торфянистый горизонт мощность» ДО 20 см) и сильноизмененные (нарувеяие рельефа в результате сооружения, например, карьеров). Поскольку природные комплексы обладают способность» к самовосстановлению, то большинство слабо-и среднеизмененных антропогенных комплексов при отсутствии новых воздействий Фрез длительный промежуток (20 -100 лет) сменяются исходными природными комплексами. Однако те из них (например, минеральные бугры пучения), в которых техногенное воздействие сильно нарушает природное равновесие (усиление термокарста и прогрессирующее оттаивание нноголетнемерзлых пород, могущее привести к их деградации), не возвращаются в прежний тип

■9-

природного комплекса. То » самое относится и к сильяоизмвненяым природным комплексам.

2.1.3. На И этапе составляется прогноаная ландшафтио-индикационная таблица (см.табл.I). В этой таблице дается прогноз изменения ПК на требуемый период. В ней приводится характеристика внешнего облике и инкеверио-геокриологичеоких условий естествен-ннх (не изменившихся под влиянием строительства иди восстановив-иихся 8а прогнозируемый период) и антропогенных комплексов по состоянии на год прогноза. В отдельной графе дается описание нару-иений, которым подвергались естественные природные комплексы в период строительства.

2.2. Расчет температурного режима грунтов. В процессе хозяйственного освоения территории изменяются условия теплообмена грунтов с атмосферой, что приводит к формированию нового температурного режима грунтов.

Прогнозировать изменение температурного режима грунтов можно путем моделирования процессов теплообмена их с атмосферой на аналоговых навинах, либо на основе аналитических расчетов.

2.2.1. Среднегодовую температуру грунта (t_cp ) на первом этапе прогноза рекомендуется рассчитывать, исходя из среднегодовой температуры воздуха с введением поправочных коэффициентов, учитывающих влияние на температуру грунтов различных факторов природной обстановки.

В общем случае для любого участка земной коры можно записать, что среднегодовая температура грунтов (tcp ) равна

tcp ⁼tg    'д    tpn    *At_K+    Я^н    1    (2.1)

где - среднемноголетняя температура воздуха;_д£ - температурные поправки вследствие влияния на tф соответственно: св -снежного покрова; р.п - растительного покрова:    с    -    петрографиче

ского состава грунтов; р - рельефа; з - заболоченности; ос. - атмосферных осадков; п.в - подземных вод; R - солнечной радиации g - геотермический градиент; Н - мощность слоя с годовыми колебаниями температуры грунтов.

Вследствие положения исследуемой территории близко к южней границе распространения многолетнемерзлых пород с максимальными