Геокриологические и климатические условия в Северном регионе
Условия строительства в умеренной и северной климатических зонах имеют очевидные различия. Уместно рассмотреть, насколько одинаковыми или различными являются условия строительства именно в северной климатической зоне.
Климатические и геокриологические условия севера Западной Сибири характеризуются следующим.
Условная граница между лесотундрой и тайгой, т.е. между мерзлыми и талыми грунтами, проходит по рекам Евояха и Надым. На этой границе мерзлота носит островковый, пятнистый характер.
Севернее р. Арка-Табъяха многолетнемерзлые породы имеют сплошное распространение. Сквозные талики здесь формируются исключительно под руслами крупных рек, а также под днищами наиболее глубоких и крупных озер. Мощность таликов зависит от глубины воды.
На низкой пойме рек Табъяха, Еньяха и Хадуттэ вечная мерзлота залегает с поверхности или опущена на глубину 3—7 м. Мощность ее составляет 40—50 м.
Малые реки промерзают обычно до дна. В весенний период снег, лежащий на льду и на берегах, тает, стекая на лед. При этом формируется надледный поток. Он подтачивает лед, который всплывает на поверхность отдельными кусками и имеет при этом рыхлую структуру. В силу таких особенностей паводка ледоход на малых реках незначителен, что следует учитывать при расчете ледовой нагрузки на опоры мостов.
Снежный покров ложится в среднем между 10 и 15 октября сразу на всей территории. Одновременно устанавливаются отрицательные температуры. В октябре они составляют большую часть дней и быстро понижаются. Суточная изменчивость температуры мала.
Март является типично зимним месяцем, однако средняя температура начинает повышаться, снегонакопление продолжается. Весна начинается в апреле быстрым уменьшением отрицательных температур, которые еще и в мае не превышают 0 °С.
Наибольшее количество осадков (500 мм/год) наблюдается в южной части региона, наименьшее (350 мм/год) — на севере Тазовского полуострова. Летом выпадает 70—80% годовой суммы осадков.
Суммарная радиация на севере составляет 67—70 ккал/см2, на юге — 83—85.
Низинный рельеф местности препятствует поверхностному стоку. В результате ежегодно до 40% влаги остается на поверхности или впитывается в почвенно-грунтовый покров, способствуя развитию озер и вызывая заболоченность местности.
Суровый климат полуострова Ямал обусловлен его географическим положением за Полярным кругом. На севере и западе Ямал омывается водами Карского моря и Байдарацкой губы, а на востоке — водами Обской губы. Длина полуострова 750 км, а ширина колеблется от 140 до 240 км (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Ямал
Ямал имеет низкие плоские берега, затапливаемые в отдельных местах во время приливов.
В целом это низменная равнина с абсолютными отметками в среднем 70 м над уровнем моря, расположенная в зоне вечной мерзлоты. Мощность многолетнемерзлых пород достигает 300—400 м, а на полярном Урале — до 700 м. Их среднегодовая температура изменяется от 0 — минус 1 °С на юге до минус 8—10 °С на севере.
Имеет место многообразие инженерно-геологических элементов (ИГЭ). Встречаются сильнольдистые, просадочные и засоленные грунты, напорные высокоминерализованные воды (криопэги) с минерализацией до 120 г/л. Засоленность вызывает переход мерзлых грунтов в пластичное состояние. В зонах без засолений поверхностные и грунтовые воды слабоагрессивны по отношению к металлу и неагрессивны или слабоагрессивны по отношению к бетону.
Для северной тундры на полуострове Ямал характерен морской арктический, а для средней и южной тундры (средняя часть Ямала) — морской субарктический климат. На юге территории (лесотундра) преобладает климат умеренно-континентальный.
Продолжительность зимы (температура ниже О °С) составляет
8,5 мес. Самый холодный месяц на Ямале — февраль (средняя многолетняя температура в пос. Харасавэй минус 23,9 °С). Средняя годовая температура воздуха на юге полуострова равна минус 6,6 °С, на севере — минус 10,2 °С. Годовое количество осадков превышает 400 мм, из них 150—170 мм выпадает зимой в виде снега. Снеговой покров лежит на севере 9—9,5 мес., на юге — 8—8,5 мес. Средняя высота снежного покрова в марте-апреле достигает 60—70 см. В понижениях рельефа высота сугробов достигает 3—4 м и более. На водоразделах и возвышенных элементах рельефа толщина снегового покрова составляет лишь 5—10 см. Плотность снега в лесотундре 0,28 г/см3, в тундре — 0,3—0,4 г/см3, а коэффициент теплопроводности изменяется соответственно от 0,2 до 0,4 Вт/(м °С).
Одной из наиболее характерных особенностей Ямала являются метели. Их период длится с сентября по июнь, но возможны метели в июле и в августе. Число дней с метелями колеблется от 70 на юге до 120 на севере. Самый метельный месяц — январь. В Новом Порту в январе, например, отмечается 17 дней с метелями, в Тамбее — 18, в Харасавэе — 19. Продолжительность одной метели — от 9 ч до 3 суток. Скорость ветра 10—13 м/с при метелях наблюдается в 40% случаев, а более 20 м/с — в 4%.
На территории полуострова насчитывается около 50000 больших и малых озер преимущественно термокарстового происхождения.
Территория открыта со всех сторон для вторжения масс арктического морского и континентального воздуха. Средняя скорость ветра 7—9 м/с. Число дней с ветром более 15 м/с доходит до 30%. Повторяемость ветров со скоростями более 30 м/с — один раз в году.
Полярная ночь продолжается от нескольких дней на юге полуострова до 74 дней на 73° с.ш. Соответственно, полярный день длится на юге 23, а на севере 92 суток. Суммарное годовое количество тепла, поступающее от прямой солнечной радиации, составляет немногим более 20 ккал/см2 в год.
Глубина оттаивания грунтов летом составляет: торф — 0,3—0,4 м; супеси и суглинки — 0,7—1; песок пылеватый — 1,2—1,5. Глубина сезонного промерзания — 2,1—4,5 м.
В Якутии (рис 6.3), в частности, в районе строительства железнодорожной линии Нерюнгри—Томмот — Якутск, геокриологические условия имеют следующие особенности.
Рис. 6.3. Республика Саха (Якутия)
На южном участке трассы (км 0 — км 530) многолетнемерзлые породы (ММП) имеют прерывистое, массивно-островное распространение мощностью от 20 до 200 м. Среднегодовая температура грунтов составляет от — 1 до —3 °С. В днищах малых рек и ручьев развиты несквозные талики мощностью до 10—20 м.
На северном участке (км 530 — км 818) ММП имеют сплошное распространение. Мощность их превышает 100—300 м, достигая на севере 400—500 м. Среднегодовая температура изменяется от —1 до —7 °С. Сезонное промерзание и протаивание пород на трассе колеблется от 5 м (в скальных породах, на водоразделах) до 0,6—0,8 м (в торфяниках).
На участке от км 377 до км 818 трассы насчитывается более 80 мест с сильнольдистыми грунтами 4-й категории просадочности (тепловая осадка более 0,4) общей протяженностью около 34 км и 136 мест — с грунтами 3-й категории просадочности (тепловая осадка 0,2—0,4) общей протяженностью 62 км.
Мощность ММП под Якутском составляет 300 м.
Трасса линии Беркакит—Томмот—Якутск имеет перепады высот более 1000 м.
Для Якутии характерна сейсмическая активность. К сильнейшим следует отнести землетрясения в Северном Верхоянье (1927 г.) и в среднемтечениир.Олекмы(1958и 1967 гг.) — 9—10 баллов, в бассейне р. Индигирки (1971 г.) — 8—9 баллов, в Чульманской впадине (1989 г.) — 8 баллов.
Автомагистраль «Колыма» пересекает территорию сейсмического пояса Черского, где в XX в. произошло более 10 сильных землетрясений с макропроявлениями в эпицентральной зоне от 6 до 9 баллов по принятой в России 12-балльной шкале, в том числе два события в 1912 г. с 9-балльными эффектами в эпицентре. Более благоприятная сейсмическая обстановка фиксируется для проектируемых автодорог «Вилюй» и «Лена», трассы которых проходят в умеренно активном регионе — Сибирской платформе. Но и здесь возможны единичные местные 6—7-балльные землетрясения. Амуро-Якутская автомагистраль и железная дорога на Якутск пересекают на отрезке Нагорный—Нерюнгри Олекмо-Становую сейсмическую зону. В ее пределах ежегодно регистрируется до 400 слабых землетрясений, примерно по одному землетрясению каждый день. С начала прошлого столетия здесь отмечено более 30 крупных землетрясений с эффектами в эпицентре 6—10 баллов. Город Нерюнгри за последние 20 лет испытал сейсмические воздействия от 4 до 6 баллов 14 раз. Изложенное свидетельствует, в частности, о необходимости уточнять в процессе проектирования мостовых переходов базовую сейсмичность зон строительства.
Обобщая и оценивая многолетний опыт северного строительства, можно отметить следующее.
Зона вечной мерзлоты представлена многочисленными подзонами с большой гаммой геокриологических, гидрологических, климатических и иных условий. Характерным для всех подзон является ранимость природы, которая чутко реагирует на изменения природных факторов и на техногенную деятельность человека. Северное строительство характеризуется отсутствием надежных и постоянно действующих транспортных коммуникаций; нехваткой местных трудовых ресурсов из-за малой заселенности регионов; существенным повышением трудозатрат, расхода энергии, стоимости сооружений.
Строительство зависит от сезона производства работ и требует применения особых конструкций и технологий, высокой организации работ и исполнительской культуры. Искусственные сооружения должны обладать защитными функциями по отношению к индивидуальным мозаичным условиям северного строительства и адаптированы к возможному глобальному потеплению климата.
