CC BY
0ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА (ГИС) ТЕМПЕРАТУРНОГО МОНИТОРИНГА МЁРЗЛЫХ ОСНОВАНИЙ ИНФРАСТРУКТРУРЫ Г. МИРНОГО
Сергей Александрович Великин,
доктор технических наук, начальник Вилюйской научно-исследовательской мерзлотной станции (ВНИМС) Института
мерзлотоведения им П. И. Мельникова СО РАН, пос. Чернышевский
Рудольф Владимирович Чжан,
доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории инженерной геокриологии Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, г. Якутск
С. А. Великин, Р. В. Чжан, Е. Н. Минова DOI: 10.24412/1728-516Х-2023-2-20-24
Город Мирный является административным центром Мирнинского района Республики Саха (Якутия), на территории которого расположены несколько крупных подземных карьеров, рудников и горно-обогатительных комбинатов добычи алмазов, вследствие чего он заслуженно завоевал статус алмазной столицы России. В этом году городу исполнилось 68 лет.
На территории г. Мирного, как и других северных городов, длительное антропогенное воздействие на верхнюю часть криолитозоны значительно трансформировало геокриологическую обстановку, что в ряде случаев обусловило потерю устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений. Застройка города в основном проводилась по I принципу с сохранением вечномёрзлых грунтов. Средние годовые значения температуры грунтов на глубине до 15 м практически не зависят от экспозиции склонов, литологического состава и изменяются от -3,5 до -1,3 °С и выше [1, 2]. Именно эта температура, соответствующая условиям стабильного температурного режима грунтов [3, 4, 5], принималась в качестве расчётной при оценке их несущей способности.
В начале 70-х годов прошлого века в процессе первого этапа освое-
ния территории г Мирного предполагалось использовать столбчатые фундаменты с заглублением в скальное основание на 3-5 м. Однако позднее были приняты железобетонные сваи глубиной до 15-20 м, которые устанавливали в пробуренные скважины и заливали песчано-глинистой смесью. На участках с высокотемпературными грунтами применялись меры по их охлаждению и замораживанию с помощью «холодных свай» (железобетонных свай со встроенными термосифонами) и проветриваемых подполий высотой до 2 м. Все магистральные инженерные коммуникации концентрировались в подземных железобетонных коллекторах с глубиной заложения 2,5-5 м. При застройке города, с одной стороны, устройство дренажных систем, элементов ливневой канализации, строительство зданий с проветриваемыми подпольями, дорожные покрытия, бетонированные подполья и отмостки способствовали охлаждению грунтов и уменьшению объёма воды, поступающей в грунт. В результате понижалась температура грунтов, что вело к повышению их несущей способности. Но, с другой стороны, утечки воды из канализации (рис. 1), отказы в работе охлаждающих устройств (рис. 2), нарушение режима функционирования
Екатерина Николаевна Минова,
инженер исследователь ВНИМС, пос. Чернышевский
Рис. 1. Наледи под домами в результате аварийных утечек воды из водонесущих коммуникаций
Трещины
Рис. 2. Трещины на фасадах зданий в результате отказов охлаждающих термоколонок и неправильной эксплуатации вентилируемого подполья
проветриваемых подполии и другие отрицательные факторы способствовали развитию процессов оттаивания грунтов основании на глубину до 20 м.
Как показали мониторинговые геокриологические исследования, это существенно изменило гидродинамические, гидрохимические и температурные условия грунтовых основании и фундаментов, что отразилось на состоянии различных конструктивных и функциональных элементов зданий и инженерных сооружении.
Если в первые два десятилетия в г Мирном были единичные случаи деформации здании и аварииных ситуаций, то за последние десять лет они приобрели постоянный характер. Возникновение таких ситуаций и часто неэффективность восстановительных мероприятий объясняются в значительной степени тем, что своевременно не выявляются начальные стадии растепления грунтов и формирование таликовых зон. Всё это говорит о необходимости более широкого комплексного изучения и анализа геокриологических условий и температурного режима мёрзлых оснований инфраструктуры г. Мирного для контроля и прогноза их несущей способности. С этой целью было принято решение о создании Геоинформационной системы (ГИС) на территории города (рис. 3).
Работа по созданию ГИС состоит из следующих этапов:
1) создание картографической базы и цифровой информационной модели г Мирного;
2) расчёт и анализ результатов динамики температурного состояния мёрзлых оснований зданий и сооружений;
ИНфЗрГиЩи
3) предварительный прогноз изменения криолито-зоны территории г Мирного.
Создание картографической базы и цифровой информационной модели г. Мирного
Как видно из содержания ГИС г. Мирного, для её создания необходимо собрать и аккумулировать большой объём исходных данных с полной информацией об объекте исследований. Программное обеспечение ГИС позволяет адаптировать все собранные материалы в единую картографическую среду, свободно работать с любыми электронными данными. Работа подразделяется на следующие этапы:
- сбор исходных данных, отражающих существующее состояние мёрзлых грунтовых оснований инфраструктуры города;
- комплексный анализ состояния городской территории (картографические и семантические материалы,
Г Ей И НФ ОРМ АЦИО Н Н ЛЯ С И С Г£ М А 4 Г ИС [
№»Ге№ЛЬНЫ№1НМЙ дол^г к ДО01ЫЛ
ЛРИШЧЙ"**
Орлним^*. дохглч»
Л ирадсттчищ Л < ИМИ •
Рис. 3. Содержание геоинформационной системы (ГИС) г. Мирного
с
□
охватывающие практически все аспекты жизнедеятельности города) и визуализация собранной информации.
Информационная модель (карта) сформирована на программном продукте ArcGIS (геоинформационные программные продукты компании ESRI) (рис. 4). Она является гибкой системой и может развиваться за счёт расширения как базы данных, так и видов обработки и представления результатов анализа и прогноза.
Сформированы следующие слои карты: здания; промышленные объекты и спортивные сооружения; кварталы; термометрические колонки; тематические слои (фонари уличного освещения, линии электропередач, коммуникации и т.д.). Производится перевод данных в систему ArcGIS и рассортировка их по созданным слоям (рис. 5). Созданы атрибутивные таблицы по 1498 скважинам (проставлены их номера и значения температуры), а также цветовая градация температуры горных пород, включающая 13 типов. Очевидно, что наиболее неблагоприятными грунтовыми условиями для эксплуатации зданий (в плане их устойчивости) являются такие, при которых часть грунтового массива основания находится в мёрзлом состоянии, а часть - в талом. Цветовая дифференциация при прорисовке символов термометрических скважин использована для более полного контроля за состоянием городской инфраструктуры. Это позволит взвешенно подходить к принятию решений по контролю, либо по ликвидации создавшейся аварийной ситуации.
При анализе динамики температурного состояния мёрзлых грунтовых оснований зданий и сооружений на территории г. Мирного, в первую очередь, была проведена оценка накопленных фактических данных измерения температуры грунтов по годам для выбора наиболее представительных и информативных.
Для оценки ситуации были выполнены следующие операции:
1) рассчитаны и добавлены на карту в качестве слоя «Эквивалентная температура ^э)» и «Температура на торце сваи ^)» за 2018 и 2020 гг.;
2) создан точечный слой с нанесением термометрических колонок (более 2600 скважин);
О и-и-яа-ож
Пр«<т Прт Ой (м
В ЕЗ а X
г ЬЬлфчг Сгп* Ан#лнр дрннрт Слрмцц
я . 13 ь о Ф о
* л т. * * а
ШТШКЛ. атю
янед». Л* з_Атх>
#_М19*ый№ЧКГ{«пнй ШРЛ&ОЧЛ лл*пииет*й ПМ РЛ&ОЧА
Пугкйпт
СФИпафбры
С+етвферы
□ ; Фо«ри
■Зпнсуяи
□ * гче
— ВДКП ГС.лнчм
— ИМТКЮию1)№*
V Ш РЛЬОЧЛ
П V"
— Кфъфки-ОДрМг
П V
СЭ 1» 'Тв Р1»1Я>2№
Гермеееотжадгс жнг ЖТНШ1Ж и Р Ж #
^ У Ч Во
с ^
л
о,
с?
\ 1 ЛР, Нор ¡ПН.КП.К.
1 \щк
1
: | 1 И»
1
1 . лфийч^Аж
1 □ 1 'ЙГ^.Ч^ВДПЦ.
г.^Ш*
IШ§ ч
Рис. 4. Фрагмент цифровой модели (карты) г. Мирного в программе QGIS.
Синим цветом обозначены скважины с отрицательными значениями ^э) и Цг), красным - с положительными ^э) и ^г), зелёным - знакопеременные ф) и ^г)
Рис. 5. Наложение слоёв на карту данных
1ИИН
10М8Ю
1Ы+ЦМ
1И4?М
1Н4№3
10214Ы
одни ьнйй ЗАТ^Ы гляюо итнлю зэтвоо «ты»
10!»«
г}тя»о янай ¡зтм» мтц» ит5»ю ит»«
Рис. 6. План распределения температуры грунтов на боковой поверхности свай, изотерма -1,6 °С (г. Мирный, 2018 г.)
3) созданы и заполнены атрибутивные таблицы по скважинам, включающие номера скважин и значения температур;
4) создана цветовая градация температуры горных пород;
5) вычислено среднее значение данных расчётных параметров грунтов оснований по г Мирному для установки критериев по зданиям, не имеющим расчётных параметров в паспорте дома;
6) проведён ретроспективный анализ по ряду представительных скважин за период наблюдений (20182020 г);
7) построены 3D-модели распределения средних значений температуры (изотермы -1,6 °С и -1,9 °С ) для 2018 и 2020 гг. Анализ имеющихся данных показал, что наибольшая частота измерений температуры грунтов, поддающихся анализу, соответствует 2018 и 2020 годам. Это обстоятельство существенно влияет на качество анализа и прогноза, поскольку в интерполяционных схемах есть участки с разновременными периодами наблюдений.
На рис. 6, 7 представлены планы распределения температуры грунтов на боковой поверхности и под торцом свай, используемых для расчётов устойчивости свайных оснований с выделенными изотермами проектных значений температур.
Предварительный прогноз изменения температуры мёрзлых грунтов на территории г. Мирного
Одним из условий надёжной эксплуатации зданий и сооружений, построенных по принципу I, является краткосрочный прогноз. Он показал, что если современное повышение температуры не замедлится, то через 10 лет на территории г. Мирного эквивалентная
Рис. 7. План распределения температуры под торцом свай, изотерма -1,9 °С (г. Мирный, 2018 г.)
температура на боковой границе смерзания сваи с грунтом будет на 3,0 °С выше, чем в 2020 г При этом площадь устойчивых оснований уменьшится примерно в 1,5 раза всего за два года. Для интерполяции данных скважинной термометрии была использована программа корреляционно-спектрального анализа «Коскад», в частности, модуль трассирования аномалий различных энергий и направлений (рис. 8). В результате получена
1 1 1 1 1 1 1
1«!200
■ЙНЮО 11 4
тОМвМ
к, * *
-
102-000
1ЫМ00 1 (* г
гогзмо
»?моо гтг&> зииоо «тмм г>ш гздгоо
Рис. 8. Трассировка аномалий на территории г. Мирного в программе «Коскад»
довольно чёткая трассировка аномалий. Необходима проверка на предмет их связи с возможными утечками воды из теплотрасс и другими причинами.
Выводы
1. Созданные в рамках ГИС картографическая база и цифровая информационная модель (карта) г. Мирного позволили сделать вывод о том, что за последние годы (2018-2020 гг.) площадь устойчивых по температурному состоянию участков городской застройки уменьшилась. Если современное изменение температуры не замедлится, то через 10 лет можно ожидать повышение эквивалентной температуры на боковой границе смерзания сваи с грунтом на 3,0 °С выше, чем в 2020 г. При этом площадь устойчивых оснований уменьшится примерно в 1,5 раза всего за два года.
2. Тем не менее, в пределах застройки на свайном фундаменте с управляемым режимом проветриваемых подполий наблюдаются устойчивые отрицательные температуры грунтов и даже их некоторое понижение. Выяснилось, что в местах плотной застройки каменных зданий также отмечено сохранение отрицательных температур ниже проектных.
3. Основными причинами аварийного состояния зданий являются повышение температуры и потеря несущей способности грунтов, приводящие к просадке свай, деформациям рандбалок, появлению трещин в несущих стенах и т.д. Наиболее часто это отмечается в местах подвода коллекторов. Аварийные утечки холодной и горячей воды привели к формированию систем устойчивых таликов.
4. Площади распространения таликов значительно превышают площади оснований конкретных зданий и сооружений. Отмечается слияние отдельных чаш про-таивания в обширные талики, распространяющиеся и на незастроенную часть территорий города.
Аналогичные процессы происходят и в других городах криолитозоны, например в г. Якутске [6].
В дальнейшем при разработке ГИС г. Мирного для анализа имеющейся информации будут введены следующие критерии оценки состояния грунтов основания:
- удовлетворительное состояние грунтов, где фактические значения эквивалентных температур и температур под торцом свай будут ниже расчётных параметров грунтов;
- неудовлетворительное состояние грунтов, когда фактические значения эквивалентных температур и
температура под торцом свай будут выше расчётных параметров грунтов.
ГИС температурного мониторинга мёрзлых оснований инфраструктруры г. Мирного является гибкой системой и может развиваться за счёт расширения как базы данных, так и видов обработки и представления результатов анализа и прогноза для оперативной организации мероприятий по предупреждению и устранению негативных климатических и техногенных воздействий на проблемные участки в общей городской инфраструктуре.
Список литературы
1. Белопухова, Е. Б. Льдистость и температура многолетнемёрзлых пород лога Хабардина / Е. Б. Белопухова // Очерки по региональной и исторической криологии : труды Института мерзлотоведения им. В. А. Обручева. - Изд-во АН СССР, 1961. - Т. 17.
2. Ефимов, А. И. Температура многолетне-мёрзлых горных пород в окрестностях г. Мирного /
A. И. Ефимов // Современные вопросы региональной и инженерной геокриологии (мерзлотоведения). - М. : Наука, 1964.
3. Иванов, В. С. Инженерная подготовка территории при строительстве на вечномёрзлых грунтах /
B. С. Иванов // Геокриологические исследования в Западной Якутии. - Новосибирск: Наука, 1980.
4. Гурьянов, И. Е. Мерзлотные условия и фундамен-тостроение на территории г. Мирного / И. Е. Гурьянов // II Международная конференция по мерзлотоведению : доклады и сообщения. - Якутск, 1973. - Вып. 7.
5. Гомелаури, Г. Л. Из опыта фундаментостроения в Западной Якутии / Г. Л. Гомелаури, И. Е. Гурьянов // II Международная конференция по мерзлотоведению : доклады и сообщения. - Якутск, 1975. - Вып. 8. -
C. 283-290.
6. Особенности формирования температурного режима грунтов основания здания с высоким проветриваемым подпольем (на примере республиканской больницы № 1) / А. А. Чжан [и др.] // Устойчивость природных и технических систем криолитозоны в условиях изменения климата : материалы Всероссийской конференции с международным участием, посвя-щённой 150-летию М. И. Сумгина, г. Якутск, Россия, 22-24 марта 2023 г. - Якутск: Издательство ФГБУН Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, 2023. - С. 157-160.
ЯФХ№ ЖУШЫХ Ш1СЯШ
Страх перед возможностью ошибки не должен отвращать нас от поисков истины.
Гельвеций
