Специфические факторы

Температурное поле грунтов застроенной территории

Изменение температурного режима грунтов на застроенной территории происходит под влиянием многих факторов, которые условно разделяют на три группы: общие, локальные и специфические (Порхаев, Щелоков, 1961).

К общим факторам относятся составляющие внешнего тепло -и массообмена на застроенной территории: радиационный баланс, турбулентный теплообмен, затраты тепла на испарение и конденсацию влаги на дневной поверхности.

К локальным факторам, обусловливающим значительное изменение температурного режима грунтов в пределах сравнительно небольшой площади, относится непосредственное тепловое воздействие на грунт различного рода зданий, сооружений и подземных коммуникаций.

К специфическим относятся факторы, характерные только для определенных территорий. В одних случаях - это особый режим снежных отложений, в других - наличие переувлажненного "культурного слоя", гидрогеологические особенности. Ниже на основании данной классификации рассмотрены факторы, определяющие температурное поле в грунтах на застроенной территории и показаны диапазоны их изменений на примере Воркуты (Хрусталев, 1971).

Общие факторы

В результате застройки значительно меняется природный ландшафт: уничтожается естественный растительный покров, большие площади покрываются асфальтом и бетоном, загрязняется воздух, возникают дополнительные источники тепла. Все это в свою очередь ведет к количественному изменению составляющих внешнего тепло-и массообмена на застроенной территории: радиационного баланса, затрат тепла на испарение и конденсацию, турбулентного теплообмена.

Рассмотрим изменение каждой составляющей в отдельности.

Радиационный баланс. Влияние освоения территории на радиационный баланс выражается в ослаблении интенсивности суммарной радиации, уменьшении продолжительности солнечного сияния, увеличении поглощения коротковолновой радиации и уменьшении эффективного излучения земли.

Причиной этого является индустриальное загрязнение атмосферы города, связанное с работой промышленных предприятий, отопительных систем и транспорта, а также изменение в черте застройки свойств подстилающей поверхности. Как известно, в атмосфере индустриальных городов во взвешенном состоянии находятся тонны дымовых частиц. В период инверсии дым, скапливаясь в нижних слоях атмосферы, образует городскую мглу, которая, как отмечает П.А. Кратцер, является "тепловым покрывалом города". При наличии городской мглы происходят наибольшие изменения составляющих радиационного баланса.

Актинометрическими наблюдениями, проведенными одновременно в Воркуте и в тундре на расстоянии 30 кмк западу от города, было установлено, что суммарная радиация в городе на 18% ниже, чем в окружающей тундре. Ее средние значение за год составляют: в городе 606 Вт©•ч/м² в тундре – 737 Вт•ч/м². Разность в приходной части баланса солнечной энергии имеет ярко выраженный суточный ход, уменьшаясь в ночные часы. Приведенные данные доказывают, что город существенно влияет на приходную часть радиационного баланса. В еще большей степени его влияние сказывается на расходной части радиационного баланса. В летний период на территории города происходит уменьшение отраженной радиации и эффективного излучения, которое по своей величине превосходит уменьшение суммарной радиации. В результате этого радиационный баланс в черте города летом значительно увеличивается. Зимой отмечается обратное явление. Радиационное выхолаживание поверхности в городе в зимние месяцы в 1,5-2 раза выше, чем за его пределами. В целом за год происходит увеличение радиационного баланса на застроенной территории, которое не превышает 8%.

Увеличение радиационного баланса, а также выделение тепла зданиями, промышленными установками и транспортом способствуют повышению средней годовой температуры воздуха. В городах она обычно на 0,5-1,5⁰ выше, чем в сельской местности. При этом в городах наблюдаются два максимума разности температур воздуха - летний и зимний. Летний максимум обусловливается повышенным поглощением тепла от коротковолновой радиации, зимний - выделением тепла в атмосферу зданиями и сооружениями. В любое время года разность температур возрастает в ясную безветренную погоду, так как ветер значительно сглаживает это различие между бродом и сельской местностью.

Район Воркуты относится к числу районов с интенсивным ветровым режимом. Средняя годовая скорость ветра здесь составляет 5,0 м/сек. Всего в году 229 дней с ветром. Несмотря на это среднегодовая температура воздуха в городе выше температуры воздуха в тундре (табл. 2.2.1).

Затраты тепла на испарение и конденсацию. Особенно сильно сказывается влияние города на изменение затрат тепла на испарение. По данным П. А. Кратцера в современных городах испаряется только одна треть осадков, две трети попадают в сточные магистрали.

Табл. 2.2.1

Температура воздуха в г. Воркута и в прилегающей тундре, ⁰С

Испарение с поверхности инженерных покрытий практически отсутствует, поэтому на застроенной территории общая площадь испаряющей поверхности значительно сокращается. В то же время вследствие увеличения радиационного баланса интенсивность испарения в городе возрастает. Однако уменьшение площади испаряющей поверхности отражается на балансе испарения сильнее, чем повышение интенсивности испарения. Так, объем испарения за летний период в Воркуте на 15% меньше, чем объем испарения с равновеликой площади в тундре. Что касается конденсации влаги на дневной поверхности в ночные часы и зимнее время, то они на два порядка меньше величины испарения в летнее время и в практических расчетах могут не учитываться.

Турбулентный теплообмен. В течение года вследствие турбулентного теплообмена потоки тепла идут от поверхности земли в атмосферу (положительные суммы турбулентного теплообмена) и в обратном направлении (отрицательные суммы). Положительные суммы турбулентного теплообмена наблюдаются при сверхравновесных градиентах температуры воздуха, отрицательные - при инверсиях. Вследствие вентильного эффекта положительные суммы значительно превосходят отрицательные.

По данным М.И. Будыко отрицательные суммы турбулентного теплообмена в среднем составляют 20% положительных сумм. Таким образом, влияние турбулентного теплообмена на тепловой баланс поверхности в основном проявляется при сверхравновесных градиентах температуры воздуха. Такая стратификация атмосферы в районе Воркуты наблюдается в дневные часы с конца марта до середины сентября. В годовом балансе турбулентного теплообмена затраты энергии в летний период являются основными. Можно предполагать, что тепловое влияние города в летний период также обусловливает основные изменения годового баланса турбулентного теплообмена. Наблюдения, проведенные летом 1964 г. на пяти опытных площадях с испаряющей поверхностью, четыре из которых располагались в черте города и одна - за его пределами, свидетельствуют о значительном ослаблении турбулентного теплообмена на застроенной территории. Так, со 2 июня по 15 июля средняя интенсивность теплопотоков в дневные часы составила: в городе 30 Вт/м², в тундре – 65 Вт/м². Ослабление турбулентного теплообмена в черте застройки объясняется двумя причинами: снижением скорости ветра и уменьшением температурных градиентов в приземном слое воздуха.

Итак, увеличение радиационного баланса и снижение затрат тепла на испарение и турбулентный теплообмен приводят к возрастанию теплопотока, направленного в толщу грунта. Это обстоятельство еще усугубляется повышенными снежными отдалениями в черте застроили, уменьшающими зимнее выхолаживание грунта. В результате величина теплопотока в грунт на большей территории Воркуты положительна, что вызывает многолетнее оттаивание многолетнемерзлых пород.

Локальные факторы

Под локальными факторами понимается тепловое воздействие зданий и инженерных сооружений на грунты основания. Определим область теплового влияния одиночного здания. Стационарное температурное поле в основании одиночного здания описывается аналитическим выражением, являющимся известным решением задачи Дирихле. При стационарном режиме все количество тепла, поступающее в мерзлый массив через поверхность пола здания, теряется им через поверхность грунта вне контура здания. Назовем ее поверхностью охлаждения. На рис. 2.2.1 показано распределение дополнительных теплопотоков по поверхности охлаждения и распределение теплопотоков, обусловленных геотермическим градиентом.

Рис. 2.2.1. Распределение вертикальных теплопотоков q по поверхности охлаждения. 1 – дополнительные теплопотоки от здания; 2 – теплопотоки, обусловленные геотермическим градиентом

Максимальная интенсивность теплопотоков наблюдается непосредственно у здания и по мере удаления от него резко падает. Однако в пределах 50 м от здания величина дополнительных теплопотоков превосходит величину теплопотоков, обусловленных только геотермическим градиентом (т. е. величину тех теплопотоков, которые существовали в природных условиях до возведения здания).

Таким образом, тепловое влияние даже одиночного здания распространяется на достаточно большое расстояние. Если учесть, что в черте застройки таких зданий множество и теплопотоки от них необходимо просуммировать, согласно принципу суперпозиции, то можно считать, что в черте застройки не существует территории, где бы не сказывалось влияние зданий и инженерных сооружений. Степень этого влияния зависит от плотности застройки и от продолжительности периода эксплуатации сооружений. Расчеты показывают, что локальное тепловое влияние зданий распространяется по всей застроенной территории уже через 50 лет с начала их эксплуатации.

Минимальная, или критическая, плотность застройки (учитываются только здания с тепловыделением в грунт), при которой происходит полная деградация вечномерзлой толщи, зависит от температуры грунта:

Температура грунта, ° С............................... -1 -2 -3 -5

Критическая плотность застройки, %.......... 8 15 20 31

Объем чаши протаивания увеличивается со временем тем больше, чем выше плотность застройки. Так, через 50 лет после начала эксплуатации здания объем чаши протаивания при плотности застройки 41%- в 1,5 раза превосходит объем чаши протаивания при плотности застройки 17%. Заметное различие в размерах чаш протаивания наблюдается уже через 15-20 лет после начала эксплуатации здания.

Предельные размеры чаша протаивания достигает через 50 лет только при плотности застройки 17%. При плотности застройки 41 и 33% протаивание не стабилизируется даже по прошествии 200 лет и более. В данном случае не существует предельных размеров чаш протаивания в их обычном понимании для одиночного здания, ибо протаивание происходит под всей застроенной территорией. Так, при плотности застройки 17% в районах с температурой грунта минус 0,5 и минус 2⁰ его протаивание под зданием не прекращается в течение 100 лет, при температуре минус 5⁰ оно заканчивается через 40-50 лет.

Таким образом, характер и скорость формирования локального температурного поля под конкретным инженерным сооружением, расположенным в черте застройки, во многом определяются общей направленностью теплового процесса в грунтах под застроенной территорией в целом, показателем которого является средневзвешенная по площади температура поверхности. Эта температура названа Л.Н. Хрусталевым (1971, 2005) среднеинтегральная температура поверхности (Т_ср). Значение средней интегральной температуры определяется по формуле:

Т _ср = (2.2.1)

где m – число источников и стоков тепла в пределах застройки (здания, коммуникации, дороги, дворы, скверы и пр.); Т_k – температура поверхности грунта в пределах k –го источника или стока тепла, S_k – площадь, занимаемая k –м источником или стоком тепла в % от общей застройки.

Если размеры застройки в плане бесконечно велики, что можно допустить, поскольку толща многолетнемерзлых грунтов, как правило, во много раз меньше линейных размеров застройки, то распределение температур пород Т по глубине z можно записать:

T(z)=T _ср+G z. (2.2.2)

где G геотермический градиент, ⁰С/м.

График этой функции показан на рис. 2.2.2, там же показано распределение по глубине среднегодовой температуры грунта в естественных условиях, подчиняющееся закону: T(z)=T ₀+G z.

Рис. 2.2.2. Распределение стационарной температуры по глубине на застроенной территории и в естественных условиях: 1 – в естественных условиях (Т₀); 2 – на застроенной территории при Т_ср < Т₀; 3 – на застроенной территории при Т_ср > Т₀; на застроенной территории при Т_ср > 0⁰C

Из рассмотрения графиков следует три важных вывода:

если Т_ср < Т₀, то в черте застройки увеличивается мощность и понижается температура многолетнемерзлых грунтов, т.е. произойдет развитие мерзлых толщ;

если Т_ср > Т₀, то в черте застройки уменьшается мощность и повышается температура многолетнемерзлых грунтов, т.е. произойдет деградация мерзлых толщ;

если Т > 0, то в черте застройки произойдет сквозное оттаивание многолетнемерзлых грунтов и температура грунта станет положительной.

Оценка интенсивности перечисленных процессов является сложной теплофизической задачей, решение которой в общем случае возможно лишь численным методом с использованием ЭВМ, например по программе WARM разработанной под руководством профессора Л.Н. Хрусталева.

Данные моделирования показывают, что увеличение объема оттаявшего под зданием грунта, связанное с увеличением плотности застройки, происходит в основном вследствие бокового развития чаши протаивания. При большой плотности застройки и высокой первоначальной температуре мерзлых грунтов чаши протаивания под отдельными зданиями уже через 50 лет с начала эксплуатации смыкаются, и в кварталах происходит повсеместное опускание верхней границы вечномерзлых пород. В натуре это явление наблюдается и ранее отмеченного срока, если на территории застройки имеются большие отложения снега и грунтовые воды.

Так, в квартале 7 г. Воркуты и на промышленной площадке шахты 18 общее понижение верхней границы вечномерзлых пород произошло уже через 10-11 лет после начала эксплуатации здании. Высокая плотность застройки и большие снегонакопления на рассматриваемых территориях обусловили положительную среднеинтегральную температуру поверхности грунта, следствием чего явилось повсеместное протаивание мерзлых пород.

Плотность теплоисточников в черте застройки и их интенсивность - наиболее существенные факторы, влияющие на динамику мерзлых толщ. При высокой плотности теплоисточников даже широкое применение различного рода мелиоративных мероприятий не ликвидирует процесс повсеместного протаивания грунтов на застроенной территории в тех районах, где естественные "запасы холода" невелики.

Например, в районе Воркуты при средней годовой температуре воздуха минус 5,7⁰ понизить температуру поверхности грунта за счет естественного охлаждения ниже минус 4-5⁰ не представляется возможным. Поэтому плотность застройки выше 30% в любых случаях вызовет полную деградацию мерзлых толщ.

В районах распространения высокотемпературных вечномерзлых пород особые трудности возникают при обеспечении устойчивости зданий с проветриваемыми подпольями, если их предполагается возводить в черте застройки.

Если на застроенной территории расположено только одно здание проветриваемым подпольем, то максимальная мощность мерзлого массива под ним всего 2,8 м. При расположении рядом трех здании с проветриваемым подпольем мощность мерзлого грунта возрастает до 5,5 м, а при 7 зданиях она составляет 11 м.

Таким образом, несмотря на чрезвычайно малое "выхолаживающее" влияние зданий с проветриваемым подпольем по сравнению с "отепляющим" влиянием зданий с полами на грунте, объем мерзлого массива неуклонно растет. Это объясняется понижением среднеинтегральной температуры поверхности вследствие увеличения площади охлаждения. Таким образом, в районах распространения высокотемпературных вечномерзлых пород устойчивость зданий, построенных на мерзлых основаниях, можно обеспечить только в том случае, если застройка кварталов выполнена по единому принципу, т.е. все здания в квартале построены с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии.

К локальным факторам относится также связанная с застройкой активная подготовка поверхности (снятие растительного покрова, отсыпка насыпей, бетонирование, асфальтирование и пр.). Однако тепловой эффект от этих мероприятий во многом зависит от существующего режима снежных отложений в данном населенном пункте. Поэтому тепловое воздействие на грунт, обусловленное активной подготовкой поверхности, следует рассматривать совместно с режимом снежных отложений.

Специфические факторы

При освоении территории восточной части Европейского севера России приходится считаться со следующими специфическими факторами: особым режимом снежных отложений в черте застройки и утепляющим влиянием грунтовых вод.

Кроме сурового ветрового режима, для климата этого района характерно большое количество осадков: зимних — 420 мм, среднее за год 680 мм. Максимальная скорость ветра и минимальное число штилей приходятся на зимние месяцы. Зимой ветры со скоростью 5-7 м/сек и более вызывают метели. Число дней с метелями составляет 40% холодного периода. Поземки и метели вызывают значительный перенос снега. Так, например, по наблюдениям Г.Л. Крюкова, в бассейне р. Воркуты ветровая миграция снега распространяется от северной границы лесотундры до Полярного Урала. Естественно, что в этих условиях застроенная территория, являясь искусственной преградой на пути миграции снега, подвержена большой снегозаносимости.

Снегомерной съемкой, проведенной зимой 1954/55 г. в одном из рабочих поселков комбината "Воркутауголь" и зимой 1958/59 и 1964/65 гг. в Воркуте, установлено, что количество снега на застроенной территории на 50-60% больше, чем на равновеликой площади в открытой тундре. Наблюдается увеличение снегоотложений от периферии города к центру. Так, зимой 1958/59 г. приведенная высота слоя воды в запасах снега составила: в центре города 243 мм, на периферии 195 мм, в тундре 152 мм.

Распределение снега по застроенной территории происходит крайне неравномерно. Во дворах и на бульварах Воркуты высота снежного покрова больше, чем в естественных условиях тундры, а улицах и площадях меньше. Однако магистрали занимают всего 15-20% территории города, и поэтому в целом теплозащитная роль снежного покрова в черте застройки больше, чем в тундре. Этому способствует также меньшая, чем в тундре, плотность снежного покрова. Плотность снега зависит от режима ветров, поэтому изменение режима вызывает изменение плотности снега, что и отмечается в Воркуте.

Повышенное снегонакопление на застроенной территории приводит к изменению температуры грунтов, особенно существенному в районах распространения высокотемпературных многолетнемерзлых пород.

Температура дневной поверхности (t_д.п) зависит от свойств поверхности. Максимальная температура наблюдается над асфальтовыми покрытиями, минимальная - над поверхностью с растительным покровом.

Значения температуры дневной поверхности (по данным А.В. Павлова и В.М. Горбачевой) приведены ниже:

Характер поверхности температура дневной поверхности, ⁰С

Площадка с растительным покровом............................ -5,7

Оголенный грунт............................................................. -5,4

Оголенный грунт, зачерненный угольной пылью.........-4,6

Бетонированная площадка...............................................-4,7

Асфальтированная площадка.......................................... -4,1

В результате инженерной подготовки поверхности температура дневной поверхности в районе Воркуты изменяется от минус 5,7⁰ (площадка с растительным покровом) до минус 4,1⁰ (асфальтированная площадка).

Практический интерес представляет определение влияния инженерной подготовки поверхности на температурный режим грунтов. Допустим, что высота снежных отложений на территории застройки одинакова. Рассмотрим два крайних случая: площадка с растительным покровом (t_д.п. = -5,7 ⁰С) и площадка с асфальтовым покрытием (t_д.п. = -4,1 ⁰С).

В условиях Воркутинского района критическая мощность снежного покрова изменяется от 25 см (асфальтированная площадка) до 45 см (естественная тундра). Устройство асфальтовых покрытий по влиянию на среднюю годовую температуру поверхности грунта равнозначно увеличению средней за зиму мощности снежных отложений на 20 см. Высота снежных отложений в Воркутинском районе за многолетний период составляет 30 - 35 см. При данных условиях под асфальтовыми покрытиями глубина сезонного промерзания должна быть меньше глубины залегания верхней границы многолетнемерзлых пород. В действительности же под асфальтовыми и бетонными покрытиями отмечается, напротив, повышение верхней границы вечномерзлых пород и понижение температуры грунта. Это объясняется тем, что указанные покрытия расположены на участках городской территории, где снежный покров или отсутствует или сильно уплотнен (улицы, площади). Если мощность снежного покрова остается неизменной или увеличивается, инженерная подготовка поверхности в условиях Воркуты вызывает повышение температуры грунта. Так, например, после проведения на территории центрального бульвара города планировочных работ и мелиоративных мероприятий верхняя граница вечномерзлых пород, по наблюдениям И.Н. Горчакова, опустилась на 5-6 м.

В результате инженерной подготовки поверхности, а также вследствие повышенного снегонакопления глубина летнего протаивания в черте застройки увеличивается. Контрольным бурением на глубину 3 м в пределах территории г. Воркуты, где до застройки наблюдалось слияние слоя сезонного промерзания-протаивания с вечномерзлыми грунтами, было отмечено опускание верхней границы мерзлых пород. Из 13 скважин только 3 скважины, расположенные на проезжей части улиц, достигли мерзлых грунтов. Глубина летнего протаивания под улицами составляла 1,5-1,8 м.

Глубина сезонного протаивания грунта на застроенной территории увеличивается не только под влиянием повышения снегонакоплении, но и в результате сокращения периода весеннего снеготаяния. Установлено, что в районе Воркуты в границах освоенной территории снежный покров весной полностью сходит на 2-3 недели раньше, чем за ее пределами. Одной из причин ускоренного снеготаяния в зоне промышленного освоения является загрязнение поверхности снега угольной и породной пылью, уменьшающее альбедо снежной поверхности.

В 1958 и 1959 гг. Л.Н. Хрусталевым, Ю.Т. Уваркиным и С.С. Нечаевым были проведены специальные наблюдения за ходом изменения запыленности снежного покрова в направлении от центра промышленной зоны и далее за ее пределами. Эти наблюдения, уточненные затем аэровизуальной съемкой, позволили составить схематическую карту запыленности снежного покрова (рис. 2.2.3). На карте выделены три зоны различной запыленности снега.

1. Зона максимальной запыленности распространяется не далее 5-6 км от источников пылевыделения. Она включает в себя территорию города, поселков, шахтных площадок и узкие (200-300 м) полосы вдоль железных дорог. Содержание пыли в пробах в 0,5 дм³достигает нескольких граммов. Альбедо поверхности, как правило, меньше 35%.

2. Зона средней запыленности распространяется от 5-6 до 25 км от источников пылевыделения. Содержание пыли в 0,5 дм³снега колеблется от 10 до 50 мг. Альбедо снежного покрова — от 54 до 67%.

3. Зона минимальной запыленности распространяется далее 25 км от источников пылевыделения. Внешняя ее граница аэровизуальными наблюдениями не прослеживается. Содержание пыли не превышает долей миллиграмма. Альбедо снежной поверхности колеблется от 77 до 90%.

Загрязненный снег поглощает примерно вдвое больше тепла, чем чистый. В связи с этим в зоне максимальной запыленности весной создаются условия для ускоренного снеготаяния, в то время как в зоне минимальной запыленности сплошность снежного покрова остается ненарушенной.

Рис. 2.2.3. Схематическая карта запыленности снежного покрова в районе г. Воркуты. 1 — зона максимальной запыленности; 2 — зона средней запыленности; 3 — зона минимальной запыленности

Другим фактором более раннего по сравнению с тундрой схода снежного покрова в черте застройки служит большая неравномерность распределения его по застроенной территории. Известно, что таяние снежного покрова находится в зависимости от характера его залегания. При равномерном залегании снежного покрова таяние происходит относительно медленно; после появления первым проталин интенсивность таяния быстро возрастает, так как темная поверхность проталин нагревается значительно сильнее, чем поверхность снега, и теплый воздух, нагретый над проталинами, способствует быстрейшему таянию снежного покрова.

Неравномерность залегания снега в черте застройки усугубляется еще весенней уборкой его с проезжей части улиц. Образовавшиеся в результате этого свободные от снега участки увеличивают скорость схода остальной части снежного покрова.

Таким образом, в городе действуют три фактора, уменьшающие период снеготаяния: запыленность, неравномерное залегание и весенняя уборка снега, причем трудно сказать, какой из этих факторов играет первостепенную роль. Существует объяснение, что снег, имеющий много механических примесей, сходит позднее, чем чистый снег. Пыль, нагреваясь быстрее снега и погружаясь в его толщу, делает поверхность снега ноздреватой и более рыхлой, тем самым, увеличивая термическое сопротивление снежного покрова. Действительно, иногда приходится наблюдать, что загрязненный снег тает позднее, чем снег чистый. По-видимому, существует какая-то оптимальная величина запыленности, выше которой запыленность начинает удлинять период снеготаяния. В значительной степени она зависит от характера весны. При солярном типе весны критический уровень запыленности больше, а при адвентивном типе - меньше.

Для определения влияния более раннего схода снежного покрова на температуру грунтов нами был произведен анализ температурного режима грунтов на двух опытных площадках Геофизического поля Северного отделения НИИ оснований в период весеннего снеготаяния (с 6 по 29 мая). С первой площадки снежный покров был удален, вторая оставалась в естественном состоянии. Средняя суточная температура воздуха большую часть этого периода была ниже 0°. Однако вследствие повышенной инсоляции первая площадка получила за указанное время в три раза больше тепла, чем вторая. Аналогичное явление отмечалось и в других районах Европейского Севера России. Так, например, исследования, проведенные Союзморпроектом в г. Амдерме, показали, что грунт начинает протаивать даже раньше, чем средняя суточная температура воздуха станет устойчиво положительной.

Таким образом, связанное с хозяйственным освоением территории уменьшение периода весеннего снеготаяния увеличивает поступление в грунт тепловой энергии; это в свою очередь ведет к повышению температуры поверхности и к увеличению глубины сезонного протаивания грунтов.

Другим специфическим фактором являются грунтовые воды. В районах, где вечномерзлые толщи имеют высокую температуру ирасчленены таликами, даже незначительное увеличение глубины сезонного протаивания может вызвать резкое изменение во взаимодействии подземных вод с мерзлой толщей (Порхаев, Щелоков, 1961). В южных районах области вечномерзлых пород повсеместно распространенные талики являются коллекторами грунтовых вод. Перемещаясь в протаявшем слое, грунтовые воды усиливают процессы переноса тепла, вызывая дополнительное протаивание мерзлых пород. Характерным примером могут служить следующие цифры, относящиеся к Воркутинской мульде. На западном крыле мульды, где подмерзлотные воды были встречены почти во всех разведочных скважинах, мощность вечномерзлой толщи составляет от 40 до 80 м. На восточном же крыле, где подмерзлотные воды были обнаружены не более чем в 8% всех бурившихся скважин, мощность вечномерзлых пород равна 130 м. Большое влияние на протаивание мерзлых грунтов на застроенной территории оказывают также надмерзлотные воды, особенно при дополнительном нагревании их в основании зданий и у подземных коммуникаций. При протаивании мерзлых пород на застроенной территории образуются новые коллекторы грунтовых вод и появляются новые пути их фильтрации. В городе надмерзлотные воды имеют более высокую температуру, чем в естественных условиях. Так, например, в грунтах основания здания родильного дома в г. Воркуте были встречены грунтовые воды с температурой 27°. За 10 лет эксплуатации здания, построенного по принципу сохранения грунтов в мерзлом состоянии, под ним образовалась чаша протаивания глубиной 15 м. Было отмечено, что скорость опускания верхней границы вечномерзлых грунтов под зданием не только со временем не затухает, а напротив, увеличивается. Это на первый взгляд аномальное явление объясняется наличием грунтового потока, который, нагреваясь возле заглубленных в грунт вводов теплофикации и канализации, поступает в основание здания и утепляет его. В результате такого процесса здание деформировалось.

Тепловое влияние грунтовых вод прежде всего проявляется в сезоннопротаивающем слое, являющемся коллектором атмосферных осадков и вмещающем большую часть тепловыделяющих коммуникаций города. Грунты сезоннопротаивающего слоя в pайоне Воркуты большей частью представлены пылеватыми покровными суглинками и суглинками верхней и нижней морены. До последнего времени эти грунты считались практически водонепроницаемыми и конвективный теплообмен в них при теплотехнических расчетах не учитывался. Однако по данным Л.Н. Хрусталева установлено, что в условиях естественного залегания коэффициент фильтрации этих грунтов на два-три порядка выше коэффициента фильтрации тех же грунтов с нарушенной структурой. Это объясняется тем, что при протаивании высокольдистых верхних слоев вечномерзлой толщи грунт частично сохраняет свое криогенное строение, и на месте вытаивающих линз и прослоек образуются макропоры, по которым может перемещаться грунтовая вода.

Повышенная фильтрационная способность пылеватых суглинистых грунтов слоя сезонного протаивания служит существенным фактором в процессе формирования теплового и влажностного режима сезоннопротаивающего слоя и подстилающей толщи вечномерзлых пород.

Тепловое воздействие грунтовых вод на высокотемпературные (выше минус 1⁰) мерзлые основания в ряде случаев настолько велико, что приводит к глубокому дополнительному протаиванию грунтов в основании сооружений. К сожалению, величина этого протаивания, зависящая в первую очередь от фильтрационного расхода и температуры воды, пока не поддается количественному учету. В то же время факты показывают, что температурные изменения в грунтах оснований инженерных сооружений, происходящие под действием грунтовых вод, часто бывают более существенными, чем обусловленные кондуктивными потоками тепла непосредственно от самого сооружения. Там, где имеются грунтовые воды, сооружения, как правило, деформируются. Поэтому при проектировании и строительстве инженерных сооружений необходимо предусмотреть различные конструктивные мероприятия в виде дренажей, отмосток, мерзлотных поясов, которые ликвидируют возможность обводнения оснований сооружений грунтовыми и поверхностными водами.

Изучение опыта освоения территорий в криолитозоне показывает, что, если при определении среднеинтегральной температуры учесть также ее зависимость от естественной и техногенной динамики климата, то эта температура становится надежным показателем направленности мерзлотного процесса в природно-техническом комплексе. Искусственно воздействуя на формирование среднеинтегральной температуры с помощью экстенсивных и интенсивных факторов, можно управлять тепловыми процессами в системах. Геофизические процессы, протекающие в ПТК, и их результаты по П.Ф. Швецову определяются экстенсивными и интенсивными факторами воздействия. К экстенсивным относятся площади контактов теплоисточников или стоков тепла с ММП; к интенсивным — температура контакта или величина теплопотока.

Рассмотрим экстенсивные факторы — площади контактов. Они определяются балансом элементов застроенной территории (структурой застройки). Например, если мы имеем дело с жилой застройкой, то ее элементами являются: здания, подземные коммуникации, транспортные магистрали и автостоянки, пешеходные пути, хозяйственные площадки, зеленые насаждения, зоны рекреации. Площади контактов этих элементов с поверхностью фунта образуют многочисленные источники и стоки тепла. К первым относятся площади, занимаемые зданиями, построенными по принципу II, подземными коммуникациями и зелеными насаждениями (зеленые насаждения в черте застройки аккумулируют снег, который оказывает отепляющее воздействие на ММП). Ко вторым – площади, занимаемые зданиями, построенными по принципу I, транспортными магистралями, автостоянками, пешеходными путями, и любые другие поверхности, с которых убирается или сдувается снежный покров.

Управлять экстенсивными факторами можно, изменяя в пределах градостроительных требований и экономической целесообразности структуру застройки за счет плотности зданий, дорог, инженерных сетей, и соотношения площадей, подлежащих мелиорации (осушению, засыпке крупноскелетным материалом, озеленению, снегоуборке). Согласно градостроительным требованиям плотность зданий в черте жилой застройки можно изменять от 18 до 24%. В то же время, если здания возводятся по принципу II, их критическая плотность (под критической понимается плотность теплоисточников, обусловливающих деградацию ММП с разрывом сплошности) составляет 6% в районе Воркуты и 17% в районе Якутска.

Большими возможностями обладают методы регулирования с помощью интенсивных факторов. В пределах территории, занимаемой зданиями, это производится путем назначения определенного принципа строительства или определенного сочетания принципов строительства. Целесообразность регулирования теплового режима фунтов на застраиваемой территории зависит главным образом от мерзлотно-грунтовых условий и назначения сооружения, выбор принципа строительства позволяет изменять температуру поверхности грунта в большом диапазоне, границы которого определяются среднегодовой температурой наружного воздуха и воздуха в помещении. При этом ограниченность подобного регулирования неизбежна. Методы расчета среднегодовой температуры поверхности грунта под зданиями приводятся в монографиях Г.В. Порхаева (1970) и Л.Н. Хрусталева (2005).

Влиянием подземных коммуникаций на ММП управляют путем назначения их способов прокладки (траншейная, канальная) и применением теплоизоляторов. Широкое распространение получила прокладка санитарно-технических систем в проходном вентилируемом канале. В этом случае среднегодовая температура грунта в полосе прокладки канала становится близкой к нулю градусов.

Мелиорация территории служит одним из мощных средств воздействия на температуру поверхности грунта. Здесь главным является регулирование режима снегонакопления. За счет указанного мероприятия можно понизить температуру поверхности грунта на 4 — 6 ⁰С.

В последние годы в составе работ по мелиорации грунтов широко применяется устройство подсыпок из крупноскелетных материалов. Их влияние на температуру поверхности неоднозначно и может приводить как к растеплению, так и к охлаждению грунтов. В то же время сочетание крупноскелетных подсыпок с горизонтальными парожидкостными термосифонами (охлаждающие подсыпки) дает глубокое охлаждение грунтов, температура которых становится соизмеримой со среднезимней температурой наружного воздуха. Новые конструкции термосифонов, предложенные Г.М. Долгих и др., имеющие длину подземного теплообменника до 500 м, позволяют применять охлаждающие подсыпки не только под отдельными зданиями и сооружениями, но и под застройкой в целом, например, в пределах всей территории установки комплексной подготовки газа (УКПГ), площадки кустового бурения, резервуарного парка и т.д.

Таким образом, арсенал технических средств и способов воздействия на формирование среднеинтегральной температуры в пределах ПТК достаточно велик и может обеспечить ее значения в широком диапазоне.

Литература

Порхаев Г.В., Щелоков В.К. Влияние застройки на термовлажностный режим многолетнемерзлых грунтов // Мат-лы к основам учения о мерзлых зонах земной коры. Вып. 7. М.: Изд-во АН СССР, 1961. С. 13-20.

Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами. М.: Наука, 1970. 208 с.

Хрусталев Л.Н. Температурный режим вечномерзлых грунтов на застроенной территории. М.: Наука, 1990. 353 с.

Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне: Учебник. М.: Изд-во МГУ. 2005. 542 с.

Поиск по сайту: