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.

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.
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.

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.

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).

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).


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
- 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.
- 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.
- 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.
- Обязов, В.А. Адаптация к изменениям климата: региональный подход / В.А. Обязов // География и природные ресурсы. 2010. № 2. С. 34—39.