Чем грозит потепление строительству на мерзлоте

Газопровод, который был подземным, а теперь оказался на поверхности в результате оттаивания вечной мерзлоты. Фото Г. Гривы.

Cтроительство и эксплуатация зданий и инженерных сооружений в районах распространения вечной мерзлоты имеют свои особенности. Они обусловлены суровостью климатических и сложностью инженерно-геологических условий, требующих особых методов, знаний и стандартов.

Как известно, тренд потепления с градиентом около 0,6-0,7ºС за сто лет наблюдается уже второе столетие, и за последние десятилетия средняя температура воздуха в Российской Арктике местами повысилась на градус и даже более. Вот как на это прореагировали ландшафты: увеличилась пучинистость грунтов (свойство увеличивать объём при замерзании); активизировались процессы термокарста и термоденудации (разрушения рельефа в связи с оттаиванием); увеличилось количество криогенных оползней и интенсифицировалось вязкое течение грунта на склонах; увеличились темпы термоэрозии и оврагообразования; резко увеличились площади выгорания бореальных лесов с последующей деградацией вечной мерзлоты; разрушаются льдистые берега до 15 метров в год. Эти естественные процессы на огромных территориях усиливаются хозяйственной деятельностью человека, особенно при строительстве линейных сооружений большой протяжённости.

Очаговый характер освоения начинает сменяться фронтальным. Растёт аварийность геотехнических систем. По некоторым данным, криогенные факторы являются причиной 23% отказов технических систем и 29% потери добычи углеводородов. Это выпучивание колон, каркасов зданий, термокарстовые просадки, различные деформации сооружений и технических систем. Вдоль магистральных газопроводов происходит заболачивание, подтопление систем и, как следствие, всплывание магистральных газопроводов (см. фото заставки). Во многом это связано с экономией на изысканиях, устаревшими стандартами и нормами, с нарушением режима эксплуатации. Криогенные факторы разрушительны и для тёплых, и для охлаждённых трубопроводов. Серьёзные проблемы возникают при строительстве железных дорог и автодорог. Во всех городах, построенных на мерзлоте, растёт число разрушений и аварий.

Деформации на взлётно-посадочной полосе аэропорта Инувика. Фото правительства Канады 2013 года, отсюда. 

Закрыли мерзлотные службы, нарушаются правила эксплуатации, а оттаивающая мерзлота делает своё дело. Это происходит из-за отсутствия системного подхода к проблеме, из-за сокращения специалистов с профессиональным геокриологическим образованием в проектных и изыскательских учреждениях, отступления от выработанных ранее подходов к освоению северных районов, стандартов изысканий, проектирования и строительства, утраты знаний и опыта. Продолжается увеличение масштабов освоения территорий с криолитозоной и одновременно ухудшение качества изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации сооружений.

На территориях со сплошным распространением многолетнемёрзлых пород, к которым относится Арктическое побережье России, строительство сооружений осуществляется с использованием оснований по принципу I, т.е. с сохранением его мёрзлого состояния. При этом в качестве охлаждающего устройства используется вентилируемое подполье, а основного вида фундамента – сваи под тяжёлые сооружения и фундаменты на подсыпках под лёгкие сооружения, которые не выделяют тепла.

В большинстве случаев, из-за почти повсеместного распространения на Арктическом побережье засолённых мёрзлых грунтов и их высокой льдистости, они находятся в пластичномёрзлом состоянии. По наблюдениям, группы жилых домов в посёлках Амдерма, Диксон, Тикси, Певек продолжают деформироваться более пятидесяти лет. Поэтому расчёт оснований и фундаментов сооружений должен, по действующим нормативным документам, осуществляться как по несущей способности, так и по деформациям. Однако на практике это обязательное требование редко выполняется, что представляет собой одну из распространённых ошибок. 

Разрушение многоквартирного дома в Амдерме, побережье Карского моря, в связи с повышением температуры и потерей несущей способности свай в засолённых мёрзлых грунтах. Фото А.В. Брушкова.

Кроме того, в расчётах оттаивания засолённых грунтов часто не учитывается фазовый переход грунтовой влаги в диапазоне отрицательных температур, а также увеличение периода оттаивания. Это приводит к уменьшению прогнозной глубины оттаивания и, как следствие, увеличенным осадкам фундаментов, что оказывается причиной деформаций сооружений. 

На территории застройки температурам грунтов следовало бы быть ниже, чем в естественных условиях, из-за удаления снега и проветриваемых подполий, но в действительности это наблюдается редко. Частично это происходит в Якутске, где в естественных условиях тайги или открытых пространств температуры грунтов составляют -3 ÷ - 5 ºС, а в городе на территории застройки иногда опускается до около -7 ºС. (Мы сохраняем мерзлоту под зданиями круглогодично, с небольшим, обычно до метра, протаиванием летом и образованием сезонномёрзлого активного слоя, который осенью вновь промерзает).

Однако в посёлке Тикси, например, температура грунтов составляет -7°С, а вне посёлка до -12°С; в посёлке Амдерма на территории застройки -3°, а вне посёлка в ненарушенных условиях -4,5°. Кроме того, во многих городах и посёлках в Арктике сегодня происходит повышение температуры мёрзлых грунтов на глубине нулевых амплитуд. Поскольку в процессе изысканий в основном определяется температура грунтов на ненарушенной территории, назначение расчётных значений прочностных характеристик мёрзлых грунтов приводит к завышению проектной несущей способности оснований.

Результат развития чаши оттаивания под деревянным домом в п. Амдерма на побережье Карского моря. Фото  A.В. Брушкова.

Значительной проблемой являются на побережье снежные заносы. Многие посёлки в Арктике расположены на территориях со среднегодовой скоростью ветра более 6 м/сек. Застроенная территория представляет собой преграду на пути ветрового потока, и поэтому здесь отлагаются большие массы снега. Известны снежные завалы высотой до двух-трёх этажей и более. При этом снег, как правило, оказывает сильное отепляющее влияние, что также является причиной деформации сооружений. Для защиты от снежных заносов пока недостаточно применяются решения застройки в виде закрытых групп зданий, разделённых коридорами для пропуска снегового потока.

Важной задачей остаётся сохранение при строительстве мохорастительного покрова, способного охлаждать грунты на 1-2 и более ºС. Поэтому вертикальная планировка на застраиваемой территории часто устраивается на подсыпках. Однако часто происходит нарушение этого принципа и, как следствие, деформации сооружений. Следует рекомендовать широкое применение сплошной подсыпки, а также сочетание подсыпок с теплоизоляционными материалами, которые позволяют уменьшить её расчётную высоту, что рекомендовал в своё время выдающийся инженер-геокриолог Ю.Я. Велли и другие.

Большое значение имеет выбор места строительства. Посёлок Буор-Хая был спроектирован на мощном прослое льда. При строительстве площадка потеряла устойчивость, с образованием грязевого потока, направленного в сторону моря. Строительство пришлось прекратить, а посёлок перенести на новое место. По этой же причине в посёлке Черском при строительстве комплекса служебно-жилых зданий пришлось выполнить трудоёмкие работы по сплошной подсыпке территории. Значительный ущерб для линейных сооружений был нанесен оврагообразованием на территории посёлков Диксон и Тикси.

Обрушившаяся из- за неравномерной просадки фундамента секция здании в посёлке Черский. Фото В.Романовского, отсюда. 

При отступании морских берегов со скоростью более трёх метров в год многие здания в небольших посёлках оказываются в опасной близости к морю. Известны примеры разрушений, вызванных термоабразией в посёлках Варандей, Амдерма, Харасавэй и других местах.

Непосредственной причиной деформаций является часто изменение температурного режима при строительстве, преимущественно из-за теплового влияния зданий или попадания сточных вод в основание. В посёлке Диксон в своё время затраты на восстановление деформирующихся зданий достигали 25% и более от их балансовой стоимости. В то же время подсчёты на примерах Амдермы и Якутска показали, что расходы на содержание мерзлотной службы в 24 раза меньше, чем затраты на ликвидацию последствий деформаций зданий.

Ущерб от деформаций зданий и инженерных сооружений на Арктическом побережье очень велик и составляет, по-видимому, многие миллиарды рублей в год. При этом ремонт и восстановление отдельных зданий обходится в 25-100% от их начальной стоимости. Однако методика оценки общего ущерба от опасных криогенных процессов на уровне территорий и регионов пока в деталях не разработана, несмотря на ряд предпринятых попыток.

В целом обследования состояния зданий и сооружений в городах и посёлках на Арктическом побережье показывают, что число деформированных объектов составляет 25-50% от общего их числа. С учётом возраставших объёмов строительства абсолютные значения экономического и социального ущерба всё время увеличивались. "Уроки деформаций зданий в Арктике наглядно свидетельствуют о необходимости резкого повышения требований к выбору площадок, качеству изысканий и проектирования, организации контроля за строительством и созданию мерзлотной службы по эксплуатации" – писал Ю.Я. Велли ещё в 1990 г., и с тех пор мало что изменилось.

Катастрофические деформации и практически полное разрушение наблюдалось на десятках зданий в северных посёлках, теплосетях Диксона, канализационных сетях Амдермы. Разрушились водопропускные железобетонные трубы в Тикси, плотины в районе Тикси, Диксона, Певека. Из-за затопления подмерзлотными засолёнными водами строительной площадки прекращалось строительство 48-ми квартирного жилого дома и детского сада в Амдерме, 125-квартирного дома в посёлке Пирамида (остров Шпицберген).

Автодороги в районе Тикси и Певека устроены на песчано-гравийной насыпи, в основании которой залегают льдистые засолённые суглинки. Нарушение торфо-мохового слоя в период строительства, недостаточная высота насыпи (0.4 м) привели к вытаиванию льда. Образовались провалы, целые участки дорог после 2-3 лет эксплуатации погружались в грунты основания. Это наблюдалось и на Ямале, и в других местах. Часто выходят из строя опоры сетей электроснабжения, линий связи и водопроводов из-за слабого смерзания с засолёнными породами и интенсивного сезонноталого слоя. На участке развития криопэгов в морской лагуне зимнее промерзание вызывает интенсивные деформации пучения опор кабеля связи аэропорта Амдерма.

В целом число деформированных зданий в Амдерме составляет около 40%, в Диксоне - 33%, Тикси - 22%, Певеке - 50%. Обследования зданий в Амдерме, где основания сложены морскими засолёнными отложениями преимущественно суглинистого состава, показали, что из 268 зданий посёлка деформированы 108. 12% всех зданий находятся в аварийном состоянии. Из 66 каменных зданий деформированы 32. Из девятнадцати тепловых и электрических станций только две имеют незначительные деформации, а десять находятся в аварийном состоянии. При этом значительное число деформированных старых зданий разобрано или брошено.

Примеры разрушений зданий, построенных на мёрзлых грунтах из-за потери несущей способности основания, Амдерма.

Якутск расположен на поверхности аккумулятивных надпойменных террас реки Лены, сложенных дисперсными мёрзлыми породами, имеющими температуру около -4 ºС и содержащими в своём составе лёд. Застройка города и связанная с этим перепланировка поверхности и изменение режима водного стока привели к тому, что под улицами, где убирается или уплотняется снег, а также в проветриваемых подпольях температура грунтов понижается. Однако при этом поверхность мёрзлых пород по периферии жилых кварталов оказывается приподнятой относительно внутриквартального пространства, которое плохо дренируется. Кроме того, из-за нарушения стока происходит образование новых путей движения воды и местами её задержка. Возникающие скопления воды приводят к резкому повышению температуры оснований. Этому способствуют протечки водопроводно-канализационных систем. Итог – деформация фундаментов.

Дом с просевшим фундаментом в Якутске.

Постройка зданий, особенно повышенной этажности, приводит к изменению условий инсоляции поверхности и, как следствие, изменению температур грунтов оснований, отличающихся от проектных, и деформациям зданий и сооружений. Необоснованная перепланировка поверхности, подсыпка в сочетании с утечками воды и нарушением условий стока также может вызвать негативные последствия.

Есть и другие причины деформаций зданий, частая из них – недостаточная устойчивость к воздействию внешних факторов (например, солёных вод) и морозостойкость бетона строительных конструкций. Особенно часто это наблюдается в Арктике (Норильск) и в районах с резко континентальным климатом и значительными колебаниями температур (Якутск). Страдают также трубы и линии связи.

Выпучивание старых деревянных свайных фундаментов в Якутске – ещё один распространённый процесс, связанный с изменением водно-теплового режима грунтов.

Таким образом, примеры и причины деформаций зданий и инженерных сооружений в Арктике многочисленны и известны давно. Деградация вечной мерзлоты, связанная с потеплением, приведёт к новым негативным последствиям. Для их предотвращения и для устойчивого социально- экономического развития Арктики необходима разработка системы мероприятий, включающих подготовку специалистов, совершенствование методик и стандартов проектирования и строительства, создание сети мерзлотных станций и мониторинга за состоянием мерзлоты. Важна также аргументированная оценка возможных изменений климата и их последствий для температурного режима грунтов и их несущей способности в качестве оснований зданий и сооружений.

Автор: Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.