• Сегодня: Пятница, Декабрь 15, 2017

Влияние климатических изменений на состояние транспортных сооружений в Забайкалье

Транспортировка тяжелой строительной техники в Забайкалье

Авторы:

Алексей Верхотуров
Кандидат геолого­минералогических наук, доцент Забайкальского государственного университета (ЗабГУ)

Елена Максимова
Магистрант кафедры строительства Забайкальского государственного университета (ЗабГУ)


Аннотация

В статье рассматриваются проблемы эксплуатации транспортных сооружений в Забайкалье, связанные с короткопериодными и относительно продолжительными временными ритмами колебаний климата. Приведены результаты сравнительного анализа причин деформирования транспортных объектов на территории Забайкалья.


Проблеме эксплуатации транспортных сооружений в Забайкалье посвящено достаточно много работ. Ряд задач, связанных с эксплуатацией транспортных сооружений на рассматриваемой территории, до настоящего времени не нашел своего решения. Основными причинами нарушения их устойчивости являются экзогенные процессы (ЭГП). В первую очередь это эрозионный размыв, оползни, суффозия и целый комплекс криогенных процессов: наледи, пучение, термокарст, термосуффозия, морозобойное трещинообразование, солифлюкция.

Из-за значительной протяженности региона в широтном направлении и с запада на восток набор и интенсивность ЭГП существенно изменяется. Аналогичные зависимости наблюдаются, учитывая горно-долинный характер рельефа, с изменением высотных отметок. Во многом это обусловило слабое развитие транспортных сетей в северной, юго-западной и юго-восточной частях Забайкалья.

Многолетнее участие в инженерно-геологических исследованиях на деформирующихся участках дорог Забайкалья, начатые еще в 80-х г. XX в. и работы, выполненные в последние годы, позволили оценить влияние климатических факторов на развитие ЭГП и на интенсивность их развития. В настоящей работе, кроме этого, были использованы фондовые материалы Рокомгидромета, ГУП» Забайкалгеомониторинг», ОАО «ЗабайкалТИСИЗ. результаты полевых и экспериментальных исследований, выполненные сотрудниками кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ЗабГУ.

Изменения климата в Забайкалье

В Забайкалье средние годовые температуры воздуха в многолетнем цикле, характеризуются значительными колебаниями и уже более 100 лет имеют тенденцию к росту (рис.1а), о чем свидетельствует линейный тренд, который, по данным Росгидромета, в среднем составляет 0,52 оС/10 лет.

Изменение средних годовых значений температуры и годового количества осадков в Чите
Рис. 1. Изменение средних годовых значений температуры воздуха (а) и годового количества осадков (б) по данным метеостанции г. Чита за период 1908 — 2007 гг. и линии трендов

Полиномиальное сглаживание температурного ряда за этот же период показывает, что при общем увеличении средних годовых температур можно выделить четыре ритма их изменения относительно линейного тренда: 1890-1917 гг. – понижение температур, 1918-1959 гг. – повышение, 1960-2000 гг. – понижение, 2001-2014 гг. – повышение. Продолжительность каждого из двух полных ритмов составила 41 год. Повышение средних годовых температур, в основном, обусловлено более высокими средними суточными температурами воздуха в феврале-апреле.

Для Забайкалья характерно чередование засушливых периодов и периодов повышенного увлажнения. Линейный тренд средних годовых значений количества осадков (мм) за многолетний период находится в пределах статистической погрешности (рис 1 б), но при полиномиальном сглаживании временного ряда значений периоды выделяются периоды повышенного увлажнения (1937-1975 гг. и 1976-1999гг.) и, наоборот, относительно засушливые годы (1910-1935 гг. и 2000-2007 гг.). В то же время по территории Забайкалья периоды с повышенным количеством осадков распределяются неравномерно. Если для северного Забайкалья 2009-2013 гг. являются годами повышенного увлажнения, то для остальной территории эти годы характеризуются количеством осадков меньшим или близким к норме. В 2015 г. отмечается аномальное повышение температур воздуха и практическое отсутствие осадков с начала года до августа месяца.

Динамика криолитозоны

В районах, где средняя годовая температура воздуха ниже ‒2,5 оС возможно существование многолетнемерзлых пород (ММП), а в районах, ограниченных изотермой температур воздуха ‒7,5 оС, они имеют сплошное распространение. Средняя годовая температура воздуха в Забайкалье за последние два десятилетия возросла на 2 оС. Рост средних годовых температур воздуха привел к смещению изотерм (рис.2) к северу и северо-востоку на сотни километров [4]. Существенно изменилась структура криолитозоны, площади распространения ММП, глубины залегания и мощности многолетнемерзлых пород. Изменение мерзлотных условий влияет на транспортные сооружения, особенно в пределах впадин, где литогенная основа представлена тонкодисперсными грунтами – песками, супесями, суглинками.

Изменение положения изотерм средних годовых температур воздуха в Забайкальском крае

В центральном и южном Забайкалье в пределах впадин забайкальского типа, многолетнемерзлые породы характеризуются прерывистым, островным и редкоостровным распространением. Размеры и мощности островов мерзлых пород закономерно уменьшаются к югу. Ранее установленные мощности мерзлых толщ в центральном Забайкалье составляли первые десятки метров, например, в Черновском районе они достигали 90 м. Многолетнемерзлые породы имели температуры от ‒ 0.1-0.2° С до ‒1,0-1,5° С. Повышение средних годовых температур воздуха в центральном и южном Забайкалье в настоящее время до положительных значений приводит к деградации многолетнемерзлых пород (ММП), понижению их кровли, формированию несливающихся мерзлых толщ. Интенсивный процесс деградации многолетней мерзлоты происходит на участках эксплуатируемых автомобильных и железных дорог, где нарушены существовавшие ранее условия теплообмена.

В северных районах Забайкалья многолетнемерзлые породы имеют прерывистое и сплошное распространение. Температура на глубине нулевых годовых амплитуд в пределах впадин составляет ‒2-4,5 °С, а в пределах хребтов до ‒10 °С. В последние десятилетия средняя годовая температура пород на глубине нулевых годовых амплитуд здесь, в результате повышения средней годовой температуры воздуха, увеличилась на 0,9 oC [3], возросла и глубина слоя сезонного оттаивания. Увеличение глубин сезонного оттаивания и повышение количества осадков привели здесь к активизации речной эрозии, процессов инъекционного льдообразования, термокарста, термоэрозии, термоабразии, термосуффозии.

Влияние деградации мерзлых пород на устойчивость транспортных сооружений на склонах

В горноскладчатых областях юга криолитозоны на участках автомобильных дорог, проложенных по пологим склонам северной экспозиции, в результате деградации многолетнемерзлых пород происходит активизация оползневых процессов. Наиболее опасными являются оползни скольжения, возникающие в результате перемещения под действием силы тяжести блоков сезонноталого слоя по поверхности мерзлоты без разжижения пород. Их основной деформирующийся горизонт приурочен к зоне контакта мерзлых и оттаявших пород, резко отличающихся прочностными характеристиками. В случае высокой льдистости кровли мерзлых пород сопротивление на сдвиг очень мало из-за большой влажности и низкого коэффициента трения талого грунта по поверхности мерзлых пород. Причиной формирования оползней скольжения является оттаивание шлирового льда в основании сезонноталого слоя, вызванное антропогенными воздействиями и изменениями климата. Процессы оползания такого типа развиты на некоторых участках автомобильной дороги Амур, трассе Чита-Забайкальск, отмечаются они и на БАМе (разъезд Казанкан).

При проектировании и строительстве автомобильных дорог в центральном Забайкалье часто принимались проектные решения, которые не в полной мере учитывали существующие мерзлотно-гидрогеологические условия, особенно при строительстве водопропускных труб в основании земляного полотна дорог для транзита поверхностных вод. Это привело, например, к тому, что на 120 километровом участке автодороги Амур (г. Чита — с. Николаевка) более 70 % водопропускных труб в разные годы испытывали деформации или были разрушены.

Водопропускные трубы устраиваются, как правило, в ложбинах, понижениях рельефа, которые на склонах северной экспозиции характеризуются наличием делювиально-солифлюкционных тонкодисперсных отложений и высокой льдистостью. Вследствие снятия растительного покрова в ходе строительства и последующего оттаивании этих грунтов происходит формирование термокарстовых форм с нагорной стороны склона. На одном из таких участков (5 км объездной трассы у п. Песчанка) результаты стационарных наблюдений показали, что из-за термокарста поверхность грунта опустилась на 63 см ниже оголовка водопропускной трубы. Соответственно весь сток поверхностных и надмерзлотных вод и сезонно действующих водотоков начал фильтроваться через основание земляного полотна. Это привело к развитию целого комплекса криогенных процессов (термосуффозии, криосолифлюкции, пучения) непосредственно под земляным полотном и заболачиванию, прилегающего к автомобильной дороге с нагорной стороны участка.

В результате деградации многолетнемерзлых пород, через 20 лет после начала эксплуатации дороги, их кровля под насыпью опустилась на 3,0-8,0 м. Мощность слоя сезонного промерзания-оттаивания в настоящее время достигает 4,0 м. В зоне теплового влияния автодороги сформировалась мерзлота несливающегося типа. Талые грунты в основании земляного полотна представлены суглинками легкими пылеватыми, суглинками тяжелыми песчанистыми с редкими и маломощными прослоями торфа и песками средней крупности. Формирование ослабленной зоны, после вытаивания шлиров льда в кровле мерзлых пород, привело к смещению отдельных блоков вниз по склону, образованию концентрических трещин отрыва шириной до 32 см, протяженностью до 150 м и, как следствие, к деформации дорожного полотна. Поверхность скольжения оползня, как показал сравнительный анализ оползневых деформаций, за весь период деградации мерзлоты, сместилась незначительно и проходит на глубине близкой к подошве слоя сезонного промерзания пород. Результаты многолетних наблюдений свидетельствовали о том, что неоднократное смещение 250 метрового участка земляного полотна автомобильной дороги вниз по склону происходило с годовой амплитудой 0,25-0,3 м/год, с одной стороны, и просадкой земляного полотна с амплитудой 0,15-0,25 м/год, с другой. Оползание вниз по склону автомобильной дороги за период ее эксплуатации составило ориентировочно 3 м. Ежегодные восстановительные ремонты привели к тому, что мощность асфальта на отдельных участках составляла более 1 м.

Учитывая все эти обстоятельства, при реконструкции автомобильной дороги на этом участке был принят комплекс мероприятий включающий: 1) замену водопропускной трубы, 2) замену грунта насыпи с предварительным армированием основания земляного полотна, 3) укрепление сваями склона с низовой стороны земляного полотна, 4) дренирование нагорной части склона.

Несмотря на большие затраты на изыскания и дорогостоящие мероприятия по защите склона, выполненные в 2013-2014 гг., наблюдения 2015 г. показали, что с нагорной части склона вновь сформировалась трещина отрыва шириной до 20 см (рис. 3), появились и небольшие трещины и на асфальтовом покрытии.

Оползневая трещина с нагорной части склона
Рис. 3. Оползневая трещина с нагорной части склона (апрель 2015 г.)

Эрозионные и термоэрозионные процессы

Эрозионные процессы, связанные с паводками на реках северного Забайкалья неоднократно приводили к возникновению чрезвычайных ситуаций. Так в июле 1983 г. в результате паводка был разрушен мост через р.Кемен на притрассовой автомобильный дороге.

27 июля 2001 года в районе станции Леприндо из-за продолжительных дождей в пределах хребта Кодар в результате прорыва небольшого ледникового озера сформировался водокаменный сель, который разрушил железнодорожные пути на участке БАМ 1659–1661 км (рис.4). Это привело к остановке движения поездов на трое суток.

Участок схода селя в районе станции Леприндо
Рис. 4. Участок схода селя в районе станции Леприндо

2 июля 2010 г. более 100 человек покинули свои дома в селе Старая Чара из-за вышедшей после обильных осадков из берегов реки Чара, подтопившей 43 дома. Уровень воды резко вырос до 4,76 метра при уровне выхода на пойму в 3,6 метра. Паводком был размыт участок автомобильной дороги Старая Чара – Новая Чара, насыпь которой представляла собой дамбу на пути паводковых вод (рис. 5).

Состояние насыпи после прохождения паводка
Рис. 5. Состояние насыпи после прохождения паводка (2010 г.)

Прорыв насыпи произошел на участке водопропускной трубы, которая не справилась с резко возросшим расходом и была отброшена потоком несколько метров от места установки. Длина размытого участка составила более 50 м). Аналогичные ситуации на отремонтированном участке, сопровождающиеся прорывом насыпи, сложились в августе 2011 г. и в июле 2012 г., когда в результате обильных осадков уровень воды в реке Чара поднимался выше критического уровня.

Высокая интенсивность эрозии обусловлена значительной льдистостью отложений, слагающих основание земляного полотна: песчаными и песчано-глинистыми озерными и озерно-аллювиальными отложениями с прослоями пластовых льдов [2]. По существу, после размыва насыпи начался процесс термоэрозии, в результате которой льдистые горные породы очень быстро оттаивают на контактах с водным потоком. Результаты исследований показывают, что начальная температура грунтов в интервале от 0 оС до ‒5 оС слабо влияет на интенсивность размыва, так как основное количество тепла идет не на прогрев грунта, а на таяние льда [6]. Последнее обстоятельство является важным и для льдистых грунтов. Основной причиной размыва дорожного полотна в 2010-2012 гг. являлись низкая пропускная способность водопропускных труб на участке прорыва. Для предотвращения повторения размыва было принято решение о проектировании и строительстве моста на данном участке, которое было завершено в 2015 г.

Наледи

Повышение мощности слоя сезонного оттаивания грунтов в последнее десятилетие способствует увеличению времени существования транзита подруслового стока на территории Забайкалья, уменьшению мощностей наледей и времени их существования. С целью изучения влияния климата на динамику процессов наледеобразования были обследованы наледные участки дорог в некоторых районах Забайкалья. В процессе машрутных исследований уточнялись границы наледей, определялись наледеобразующие расходы, температуры воды, проводились геоботанические наблюдения. Установлено, что повышение средних годовых температур воздуха наиболее существенно сказалось на формировании, в первую очередь, речных наледей. Ранее вероятность их образования в северном Забайкалье составляла 100 %. В настоящее время в районе с. Чара они формируются эпизодически, только в многоводные годы. Значительно сократились объемы наледей, в том числе и гигантских на 20 до 30 %, что значительно выше обычных колебаний в многолетнем цикле [1]. Наледи, имеющие малые площади и объемы вообще перестали формироваться или образуются только в пределах русловой части водотоков. Исключение составляют наледи формирующиеся на участках разгрузки напорных подземных вод, в том числе и подмерзлотных.

Строительство противоналедных сооружений не всегда полностью снимает проблему. При некачественном проектировании наледи продолжают представлять значительную потенциальную угрозу транспортным объектам, например, на участке у с Смоленка вблизи г. Чита (рис. 6).

Наледь на руч Смоленский
Рис. 6. а) Наледь на руч Смоленский (2009 г.)
Мост через руч. Смоленский
Рис. 6. б) Мост через руч. Смоленский (2013 г.)

Для моста, построенного через руч. Смоленский в 2012 г., как показали наблюдения 2013 г., не совсем верно было выбрана высота пролетного строения (рис. 6б), поэтому в отдельные многоводные годы наледь может заливать проезжую часть.

Термокарст

К одному из наиболее опасных для транспортных сооружений относится процесс термокарста. Так на участке км 6277-6278 Забайкальской железной дороги, более 50 лет происходят деформации земляного полотна вследствие деградации многолетнемерзлых грунтов в его основании. Ограничение скорости, постоянные ремонты приводят к большим экономическим затратам.

На участке железнодорожного пути Чара – Чина протяженностью 42 км, вследствие деградации многолетней мерзлоты и термокарстовых проявлений земляное полотно на протяжении около 12 км. (30 %) длины подвержено просадкам, сплывам откосов и расползанию. Это приводит к дефектам шпал до 35 %, дефектам рельсов общей протяженностью около 5100 м.

Заключение

Таким образом, современные изменения климата в Забайкалье, сопровождающиеся деградацией криолитозоны и ростом паводковых расходов обуславливают активизацию экзогенных процессов, нарушающих устойчивость транспортных сооружений. Поэтому для участков, где происходят деформирование земляного полотна, мостов, водопропускных сооружений в результате, требуется анализ ранее принятых проектных решений и выявление причин деформаций.

Ежегодные обследования опасных участков, полученные фото- и видеозаписи позволяют специалистам транспортных служб своевременно проводить противоаварийные работы. На территориях речных бассейнов, где сосредоточены подпрудные ледниковые озера, особенно в верховья, необходимо своевременное выявление потенциально опасных участков прорыва, с учетом высокой сейсмичности района. Это представляет на современном этапе одну из важнейших задач, ведь убытки от возможного схода селевых паводков, размыва полотна составляют десятки миллионов и могут привести к катастрофе.


Литература

  1. Верхотуров, А.Г. Наледи Забайкалья и их влияние на рельеф в условиях современных изменений климата / А.Г. Верхотуров // Материалы Всерос. науч. конф. с международным участием «Рельеф и экзогенные процессы гор» (Иркутск. 25-28 октября 2011 г.). – Иркутск: Изд-во института географии им В.Б. Сочавы, 2011. Т. 2. С.63-66.
  2. Крапачев, А.В. Расчет параметров термоэрозионного размыва грунтов Чарской впадины // Криогенные процессы и явления в Сибири: межвуз. сб. науч. тр. / под ред.И.А. Некрасова. – Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1984. — С. 65-70.
  3. Сергеев, Д.О. Температурный режим многолетнемерзлых толщ и сезонноталого слоя в горах Северного Забайкалья (возобновление стационарных наблюдений) / Д.О. Сергеев, Ю.А. Ухова, Ю.В. Станиловская [и др.] // Криосфера Земли. 2007. Т.XI, № 2. — С. 19-26.
  4. Обязов, В.А. Адаптация к изменениям климата: региональный подход / В.А. Обязов // География и природные ресурсы. 2010. № 2. С. 34—39.
Алексей Верхотуров

Кандидат геолого­минералогических наук
Доцент Забайкальского государственного университета (ЗабГУ)