CC BY
31УДК 624.131.1
DOI 10.24411/2658-4441-2020-10008
С.А. ОНДАР
Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН (Кызыл, Россия)
ФАКТОРЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МОСТОВОГО ПЕРЕХОДА ЧЕРЕЗ р. БОЛЬШОЙ ЕНИСЕЙ В РЕСПУБЛИКЕ ТЫВА
Объектом изучения инженерно-геологических условий явилась площадка мостового перехода через р. Большой Енисей в 19-ти км на северо-восток от г. Кызыла в Республике Тыва. Рассмотрены факторы, влияющие на инженерно-геологические условия исследуемого участка как при разработке проектной и рабочей документации, так и на этапе строительства и дальнейшей эксплуатации и обслуживания сооружения. На основе анализа фондовых и литературных данных, а также обобщения результатов рекогносцировочного обследования, бурения, лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов выделены факторы, осложняющие инженерно-геологические условия объекта.
Ключевые слова: инженерно-геологические изыскания, природно-климатические факторы, высокая сейсмичность, мостовой переход..
Рис. 2. Табл. 1. Библ. 9 назв. С. 66-71.
S.A. ONDAR
Tuvinian Institute for Exploration of Natural Resources of SB RAS (Kyzyl, Russia) FACTORS OF ENGINEERING-GEOLOGICAL CONDITIONS OF THE BRIDGE ACCROSS THE BIG YENISEI RIVER IN REPUBLIC OF TYVA The object of engineering-geological investigations is the area of the Big Yenisei river bridge crossing at 19 km from Kyzyl city in Republic of Tuva. Factors affecting on engineering-geological conditions of area on phases of bridge design, building, operation and maintenance were considered. Based on the analysis of archive materials and literature data, generalization of the results of reconnaissance, drilling, and laboratory studies of the physical and mechanical properties of subsoil, factors that complicate the engineering-geological conditions of the object are identified.
Keywords: engineering-geological investigations, physical and climatic factors, region with high seismicity, bridge.
Figures 2. Table 1. References 9. P. 66-71.
Введение. В 2018 г. силами железнодорожных войск Центрального военного округа построен первый капитальный мост через реку Большой Енисей, расположенный у г. Кызыла (рис. 1). Мост предназначен для обеспечения транспортного сообщения мотострелковой (горной) бригады, дислоцирующейся в г. Кызыле, с общевойсковым полигоном Кара-Хаак. При этом сокращается маршрут движения более чем на 100 км, который ранее пролегал через перевал Ондум. Данный проект Министерства обороны РФ адаптирован под нужды местного населения и внёс значимый вклад в развитие транспортного сообщения региона. Мостом пользуются жители близлежащих сёл Кара-Хаак и Черби общей численностью 2,5 тыс. человек, которые ранее переправлялись в летний период на пароме или лодках и ледовой переправе зимой, а в межсезонье оставались отрезанными от других районов республики, без доступа к квалифицированным медицинским и другим социальным услугам.
Рисунок 1. Участок мостового перехода через р. Большой Енисей в Республике Тыва на этапе строительства
(фото 30.04.2018; из видео [youtube.com/channel/UChAxv6jaMOOwd-QkjbTocXA/videos] (дата обращения 22.11.2019)
Строительство мостового перехода началось в феврале 2018 г и шло ускоренными темпами, а официальное открытие движения по мосту планировалось приурочить к празднованию Дня Победы 9 мая 2018 г. Но первоначальная конструкция мостового перехода ещё до завершения строительства и официального ввода моста в эксплуатацию не выдержала весеннего ледохода в апреле 2018 г. Данное обстоятельство потребовало проведения комплекса инженерно-геологических изысканий включая бурение, выявления несущей способности грунтов естественного основания для принятия обоснованных и оперативных проектных решений для возведения моста в сложных природно-климатических и сейсмических условиях Республики Тыва.
Физико-географические факторы района. Мостовой переход расположен в Пий-Хемском районе Республики Тыва в 19-ти км к северу от столицы Тувы г. Кызыла на автомобильной дороге регионального значения Кызыл - Кара-Хаак. Ближайшая к объекту изысканий железнодорожная станция Минусинск находится в 380 км.
Мост пролегает через р. Большой Енисей (Бий-Хем) в 14 км вверх от устья, где она сливается с р. Малый Енисей (Каа-Хем), и откуда берёт начало р. Верхний Енисей (Улуг-Хем). Ширина р. Б. Енисей изменяется от 20-80 м в верховьях до 120290 м в среднем и нижнем течении, глубины соответственно от 1-1,5 м до 1,5-4 м. Скорость течения изменяется от 1,4 до 2,4 м / с. Средний многолетний расход воды р. Б. Енисей в замыкающем створе (с. Кара-Хаак) — 594 м3 / с (Государственный доклад..., 2019). Половодье наблюдается с апреля по июль, лёд держится с ноября по апрель.
Основу рельефа участка строительства составляет обширная долина р. Б. Енисей с незначительными перепадами высот надпойменных террас. Поверхность террас обычно ровная со слабым наклоном в сторону русла реки. Абсолютные отметки в районе мостового перехода колеблются от 628 до 650 м.
Большая часть Кызылской котловины, по которой протекает в нижнем течении р. Б. Енисей, безлесная, хребты в её обрамлении затаёжены. В котловине преобладает степной ландшафт. Флора типичная степная, представлена скудной травянистой растительностью и низкорослым кустарником караганы. В пойменной части р. Б. Енисей встречаются заросли кустарника тальника и разрозненные сообщества тополевого леса. Почвы в районе работ маломощные, слабогумусированные.
Климат района резко континентальный, характеризующийся значительными колебаниями суточных температур воздуха, в особенности весной и осенью, и малым
количеством осадков. В связи с резкой континентальностью климата г. Кызыл и Пий-Хемский район входят в перечень местностей, приравненных к районам Крайнего Севера. Над республикой в течение всего года преобладает антициклональная сухая и ясная погода. Зима продолжительная, холодная, малоснежная, лето — жаркое. Температурные минимумы приходятся на январь и достигают -58°С (рис. 2), максимумы наблюдаются в июле до 37°С в г. Кызыле (Атлас..., 2005). Среднегодовое количество атмосферных осадков по многолетним наблюдениям не превышает 253 мм. Ввиду того, что снежный покров не превышает 20-25 см, глубина промерзания почвы достигает 3,2 м. Многолетняя мерзлота в районе мостового перехода отсутствует.
Согласно строительно-климатическому районированию (СП 131.13330.2012, 2016) район работ расположен в подрайоне 1Д.
Рисунок 2. Изотермы января Республики Тыва (Атлас..., 2005)
Значительные сезонные и суточные колебания температуры влияют на физико-механические свойства грунтов, металлических и других применяемых материалов, такие как морозостойкость, хрупкость, тепловое расширение и др., что необходимо учитывать при выборе используемых материалов и проектных расчётах.
Региональные геологические факторы района
Тектоника. Исследуемая территория находится в пределах Алтае-Саянской складчатой области, в центральной части Тувинского межгорного прогиба, на севере Улугхемской впадины — крупной отрицательной структуры I порядка. В её структуре исследованный участок расположен на восточном крыле Сесерлигско-Тапсинской брахисинклинали, осложняющей северный блок А II порядка (Лебедев, 2007). Разрывная тектоника в районе мостового перехода проявлена слабо.
Геологическое строение. Улугхемская впадина выполнена отложениями юрской угленосной формации. Юрская система с размывом и несогласием залегает на интенсивно дислоцированных образованиях палеозойского фундамента, сложенного породами нижнего кембрия, силура, девона и нижнего карбона.
Коренными стратифицированными породами, непосредственно попадающими в сферу воздействия нагрузок от мостового перехода, являются отложения юрской системы. Здесь система представлена среднеюрской эрбекской и перекрывающей её средне-верхнеюрской салдамской свитой.
Эрбекская свита У2ег) общей мощностью около 300 м имеет двучленное строение — нижняя подсвита характеризуется более грубозернистым составом, включает уровни грубообломочных конгломератов, гравелитов, разнозернистых песчаников, реже — алевролитов. Граница с верхнеэрбекской подсвитой, сложенной преимущественно сред-незернистыми и тонкозернистыми песчаниками, проводится по кровле угольного пласта 2.2-Улуг (Лебедев, 2007).
Салдамская свита СЬ-^О согласно перекрывает отложения эрбекской свиты и сложена песчаниками мелкозернистыми известковистыми и алевролитами с прослоями известняков, редкими уровнями маломощных углей. Залегание пород горизонтальное или близкое к горизонтальному (5-10°), мощность свиты достигает 740 м (Лебедев, 2007).
Четвертичные отложения представлены аллювиальным комплексом долины р. Б. Енисей, на горных склонах развиты делювиальные отложения, а на выровненных водоразделах сформировался элювий по коренным породам мезозоя.
Гидрогеологические условия. Район изысканий расположен в Алтае-Саянской гидрологической складчатой области, в Тувинском артезианском бассейне. По условиям залегания и циркуляции в районе работ распространены 2 типа подземных вод: поровые воды рыхлых четвертичных отложений и пластовые и пластово-трещинные воды коренных пород.
Согласно фондовым материалам разведки Чихачёвского месторождения песчано-гравийных пород, расположенного на 8-м км автомобильной дороги Кызыл - Кара-Хаак, подземные воды второго типа установлены на 1 м ниже поверхности развития коренных юрских пород. Подземная вода гидрокарбонатная с минерализацией 0,198 г / л, рН — 7.6 (Кирилин и др., 1989).
Природные геологические процессы и связанные с ними явления — важный фактор инженерно-геологических условий. Для региона характерна высокая сейсмичность. Согласно карте общего сейсмического районирования Российской Федерации (карта ОСР-97 А) практически на всей территории Тувы минимум один раз в 500 лет следует ожидать сотрясений с интенсивностью в 8-9 баллов (СП 14.13330.2014, 2016). Землетрясения такой балльности относятся к категории весьма опасных природных процессов.
Наиболее сильное современное сейсмическое событие с интенсивностью до 10 баллов, магнитудой 7 произошло в 2012 г. восточнее г. Кызыла. Эпицентр находился в Каа-Хемском районе, очаг на глубине 10 км (Абалаков и др., 2016). Описываемые землетрясения ощущались в целом ряде сибирских регионов.
Инженерно-геологические факторы
Полевые работы на объекте изысканий проводились в мае 2018 г. В процессе работ пробурено 4 скважины общей длиной 25,7 пог. м, из них 3 скважины в русле реки и 1 в пойме. Отобрано 13 проб грунта нарушенной структуры, для которых выполнен комплекс лабораторных испытаний физико-механических свойств. Геологическое строение изучено бурением под опоры моста на глубину до 9-ти м.
Обобщённый геологический разрез вдоль полосы мостового перехода на изученную глубину представлен рыхлыми аллювиальными галечниковыми грунтами четвертичного возраста, залегающими на элювиальных образованиях разной степени выветрелости (от суглинков дресвяный до щебенистых грунтов). Подстилающими коренными породами являются песчаники салдамской свиты.
По данным бурения, а также на основании анализа пространственной изменчивости частных показателей свойств грунтов, определённых лабораторными методами, результатов статистической обработки выделяются следующие инженерно-геологические элементы (ИГЭ) (табл. 1).
ИГЭ-1 — грунт крупнообломочный галечниковый с включением валунов до 10 %. Грунт аллювиального руслового происхождения, имеет широкое распространение на площадке изысканий. Мелкий заполнитель представлен супесью и песком. Содержание заполнителя варьирует от 14 до 29 %, в среднем 22,54 %. Мощность слоя
в пределах изученной глубины изменяется от 3,5 м до 6,0 м. Абсолютные отметки кровли наблюдаются от 632,9 до 628,41 м, подошвы — от 630,86 до 622,7 м.
ИГЭ-2 — суглинок дресвяный твёрдый лёгкий песчанистый с показателем текучести < 0. Происхождение грунта элювиальное по коренным юрским породам. Включения дресвы составляют от 27 до 35 % (среднее — 31,5 %). Нормативное значение числа пластичности 8,34. Слой мощностью 5,5 м вскрыт скв. № 1 в пойме реки на глубине от 3,5 м и до изученной бурением глубины 9,0 м.
ИГЭ-3--грунт крупнообломочный дресвяный (элювий в коренном залегании).
Содержание суглинистого заполнителя 37 %. Залегает под аллювиальными галечни-ковыми грунтами.
ИГЭ-4 — крупнообломочный щебенистый грунт. Характеризуется незначительным содержанием супесчаного заполнителя (элювий в коренном залегании). Залегает под аллювиальными галечниковыми грунтами.
ИГЭ-5 — песчаник малой прочности. Кровля пласта вскрыта в скв. № 2 на глубине 6,1 м с абс. отм. 622,208 м, подошва слоя при бурении не вскрыта. Дробимость в водонасыщенном состоянии — 32 %. Средняя плотность песчаника 2,44 г / см3, истинная плотность 2,82 г / см3, водопоглощение — 2,75 %. Коренные песчаники сал-дамской свиты служат основанием для закрепления свайных опор моста.
Таблица 1. Нормативные значения физико-механических характеристик грунтов
Характеристика грунтов Наименование грунтов по ГОСТ 25100-2011 (2013)
крупнообл. га-лечниковый с включ. валунов до 10 % суглинки твёрдые лёгкие песчанистые с включ. дресвы дресвяный с заполнит. суглинок твёрдый лёгкий пылева-тый крупнообломочный щебенистый
ИГЭ-1 ИГЭ-2 ИГЭ-3 ИГЭ-4
Влажность, % природная 4,62 11,42 7,68 2,64
на границе текучести 11,86 30,26 24,07 16,38
Число пластичности 1,15 8,34 7,51 5,17
Показатель текучести -5,16 -1,27 -1,17 -1,66
Гранулометрический состав, % галька (щебень) > 70 мм 36,59 - - 73,87
70-40 мм 15,11 - 7,26 13,67
40-20 мм 14,24 3,45 10,79 2,71
20-1 мм 12,41 1,89 13,21 1,56
галька (дресва) 10-5 мм 7,79 9,62 19,41 1,41
5-2 мм 4,96 17,72 15,91 1,15
песок 2-1 мм 4,98 19,44 13,01 0,62
1-0,5 мм 4,71 14,26 6,99 2,03
0,5-0,25 мм 5,69 10,86 5,27 1,15
0,25-0,1 мм 4,32 12,29 5,89 1,10
0,1-0,05 мм 2,60 6,66 5,38 0,47
пыль, глина < 0,05 мм 1,24 4,95 0,54 0,26
Удельное сцепление, кПа 13,67 50,30 32,00 14,00
Угол внутр. трения,град. 34,60 - - 31,00
Модуль деформации, МПа 62,80 33,03 50,90 45,30
Оценка прочности и сжимаемости крупнообломочных грунтов с глинистым заполнителем и глинистых грунтов с крупнообломочными включениями был произведён по методике ДальНИИС (Владивосток) (Методика..., 1989).
Гидрогеологические условия площадки. На участке изысканий в мае 2018 г. грунтовые воды, связанные с рыхлыми четвертичными отложениями, вскрыты скв. № 1 в пойме реки на глубине 0,9 м, установившийся уровень зафиксирован на той же глу-
бине на отметке 633,45 м (Балтийская система высот). По гидравлическим признакам грунтовые воды на площадке ненапорные.
Инженерно-геологические процессы и явления. Крупнообломочные грунты разреза непучинистые, ненабухающие, непросадочные, незасолённые, без содержания органики. К специфическим грунтам можно отнести суглинок дресвяный твёрдый, он может проявлять пучинистые свойства.
Признаки эрозии, осыпей и обвалов на близлежащих склонах не проявлены, а поверхность склона покрыта разреженной травянистой растительностью.
Заключение. Мостовой переход на автомобильной дороге Кызыл - Кара-Хаак в Республике Тыва является первым капитальным сооружением, построенным через р. Большой Енисей.
К факторам, осложняющим инженерно-геологические условия мостового перехода, относятся суровые природно-климатические условия, высокая сейсмичность территории, а также наличие участков и слоёв глинистых грунтов с низкой несущей способностью в основании мостового перехода. Выявленные факторы необходимо принимать во внимание как на этапе проектирования и строительства моста, так и во время последующей его эксплуатации и обслуживании.
Представленные нормативные исходные характеристики грунтов основания сооружения позволят оценить динамику их изменений при проведении мониторинга состояния мостового перехода.
ЛИТЕРАТУРА
Абалаков А.Д., Шеховцов А.И., Лысанова Г.И., Новикова Л.С. Особенности проявления неблагоприятных природных процессов на территории Республики Тыва // Успехи современного естествознания. - 2016. - № 6. - С. 132-137.
Атлас: экономический потенциал Республики Тыва (2003-2004 гг.) / Науч. ред. докт. геол.-мин. наук В.И. Лебедев, докт. экон. наук Ю.Г. Полулях. - Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2005. - 60 с. (в т. ч. 56 с. ил.). ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. - М.: Стандартинформ, 2013. - 42 с.
Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Республики Тыва в 2018 году [Электрон. ресурс]. - Кызыл, 2019. - Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/561543920, свободный (дата обращения 07.11.2019).
Кирилин В.С., СидоровВ.Н., Кавицкий С.Л. Поиски и разведка месторождений песчано-гравийной смеси на Кара-Хаакской площади: Отч. геолого-гидрогеологической партии по работам 1987-1989 гг. - Кызыл, 1989. - ТФГИ по РТ, инв. № 2017.
Лебедев Н.И. Угли Тувы: Состояние и перспективы освоения сырьевой базы / Отв. ред. докт. геол.-мин. наук В.И. Лебедев. - Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2007. - 180 с.
Методика оценки прочности и сжимаемости крупнообломочных грунтов с пылеватым и глинистым заполнителем и пылеватых и глинистых грунтов с крупнообломочными включениями / ДальНИИС. - М.: Стройиздат, 1989. - 24 с. СП 131.13330.2012. Строительная климатология - М: Минстрой России, 2016. - 124 с.
СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах. - М: Минстрой России, 2016.131 с.
