Международный форум по инженерному мерзлотоведению в г. Мирном Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Ольга Ивановна Алексеева,

кандидат технических наук, учёный секретарь Института

мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.

3-7 сентября 2011 г. в г Мирном (Россия, Республика Саха (Якутия)) состоялся IX Международный симпозиум по проблемам инженерного мерзлотоведения.

Известно, что геокриологическая наука (мерзлотоведение) сформировалась в России в двадцатых годах прошлого века на стыке геологических, географических, геофизических и инженерно-технических дисциплин в ответ на запросы практики в связи с началом освоения огромных территорий, занятых мёрзлыми толщами горных пород. Важную роль в развитии мерзлотоведения сыграло объединение усилий учёных и инженеров России, США, Китая, Канады, Швеции и других стран, значительные территории которых находятся в области развития вечной мерзлоты. В 1963 г. в г. Лафайете (США) была проведена первая Международная конференция по мерзлотоведению (МКМ). Вторая состоялась в 1973 г в г. Якутске. Именно здесь было принято решение проводить МКМ с периодичностью один раз в 5 лет. Далее хронология проведения МКМ выглядит следую-

О. И. Алексеева

щим образом: III (г. Эдмонтон, провинция Альберта, Канада) - 1978 г.; IV (г. Фербенкс, штат Аляска, США) -1983 г; V (г. Тронхейм, Фюльке Сёр Трёнделаг, Норвегия) - 1988 г.; VI (г. Пекин, КНР) - 1993 г.; VII (г. Йел-лоунайф, Северо-Западные Территории, Канада) - 1998 г.; VIII (г. Цюрих, Швейцария) - 2003 г.; IX (г. Фербенкс, штат Аляска, США) - 2008 г. В 2012 г. юбилейная Х Международная конференция по мерзлотоведению пройдёт в г. Салехарде - второй раз в нашей стране. На IV МКМ в г. Фербенксе была создана Международная ассоциация по мерзлотоведению (МАМ). Её первым председателем был избран П. И. Мельников.

Международные симпозиумы по инженерному мерзлотоведению дополняют деятельность МАМ в инженерном направлении и проводятся при её поддержке, а также Совета по криологии Земли РАН с 1993 г один раз в 2 года, поочередно в различных городах России и Китая. В работе симпозиумов принимают участие учёные стран - членов МАМ. Первый подобный симпозиум состоялся в 1993 г.

На фото вверху-участники симпозиума после окончания его работы в актовом зале института «Якутнипроалмаз» (г. Мирный).

Встреча участников IX Международного симпозиума по проблемам инженерного мерзлотоведения в аэропорту г. Мирного. Руководитель китайской делегации профессор Ню Фу-цзюнь дегустирует якутский кумыс.

О. В. Тарасов и др.). Этот факт сыграл решающую роль в успешной работе симпозиума. Все его мероприятия (пленарные и секционные заседания, издание трудов, экскурсии, выступление коллективов художественной самодеятельности и др.) были проведены на таком высоком уровне, что наши китайские коллеги, которым в 2014 г. предстоит организация юбилейного Х симпозиума в г. Харбине, стали переживать, смогут ли они достичь такого высокого уровня.

В трудах симпозиума опубликованы 90 докладов, из них 26 докладов иностранных учёных из 22 организаций Китая, США, Ирана, Англии, Германии, Дании, Канады, Польши и Швеции. Российскую делегацию представляли сотрудники 34 различных организаций из 19 городов (Москва, Санкт-Петербург, Тюмень, Новосибирск, Якутск, Нижний Новгород и др.).

(г. Чита), второй - в 1996 г. (г. Харбин), третий - в 1998 г. (г. Чита), четвёртый - в 2000 г. (г. Ланчьжоу), пятый - в 2002 г. (г. Якутск), шестой - в 2004 г. (г. Ланчьжоу), седьмой - в 2007 г. (г. Чита) и восьмой - в 2009 г. в г. Сиане (Китай). Инициаторами этих научных форумов являются Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (г. Якутск, Россия), Хэйлунцзянский научно-исследовательский институт по строительству в холодных регионах (г. Харбин, Китай), Ланчьжо-унский институт по строительству и изучению окружающей среды в аридных и холодных регионах АН КНР (г. Ланчьжоу, Китай) и Институт по строительству в холодных регионах (г. Пекин, Китай).

Правительство РС(Я) включило IX Международный симпозиум по проблемам инженерного мерзлотоведения в перечень республиканских научных мероприятий 2011 г (Постановление президента РС(Я) № 239-РП от 15.04.2011 г.). В республиканский оргкомитет вошли руководители министерств и ведомств республики, а также руководители крупных хозяйствующих субъектов (первый вице-президент, исполнительный директор АК «АЛ-РОСА» А. Н. Дойников, генеральный директор АК «Якутскэнерго»

Открытие симпозиума. Приветственное слово произносит заместитель главы МО «Мирнинский район» В. Г. Шпан. В президиуме (слева направо): председатель Государственного

комитета по инновационной политике и науке РС(Я) М. М. Трофимов; заместитель директора по науке Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Со РАН, сопредседатель

оргкомитета с российской стороны, д.г.-м.н., профессор В. В. Шепелёв; руководитель китайской делегации, профессор Института инженерных и экологических исследований холодных и аридных регионов АН КНР Ню Фу-цзюнь; член оргкомитета, профессор Пекинского транспортного университета Лю Цзянькунь; заместитель директора института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА», д.т.н. И. В. Зырянов.

Участники пленарного заседания.

В докладах пленарного заседания симпозиума рассматривались проблемы свайного фундаментостроения в криолитозоне в связи с потеплением климата, вопросы инженерно-геокриологического обеспечения строительства и эксплуатации различных инженерных сооружений, разработки методики изучения физико-механических свойств грунтов при их циклическом промерзании и протаивании, совершенствования методов инженерно-геокриологического картирования осваиваемых территорий, организации комплексного геофизического мониторинга для обеспечения эксплуатационной безопасности гидротехнических сооружений в криолитозоне.

В период работы трёх секций и круглого стола было обсуждено 59 устных и 28 стендовых докладов. Помещения для заседаний были любезно предоставлены Институтом «Якутнипроалмаз» и Центром подготовки кадров АК«АЛРОСА».

На секции «Физико-механические свойства мёрзлых грунтов, криогенные процессы и моделирование» (руководители секции: д.т.н. Г. П. Кузьмин, к.т.н. О. И. Алексеева, проф. Ню Фу-цзюнь) доклады были посвящены проблемам экспериментальных и теоретических исследований криогенных процессов, а также физики и механики мёрзлых, промерзающих и протаивающих грунтов. Обосновано графическое представление основных характеристик мёрзлых и талых грунтов по ограниченному числу данных инженерных изысканий, усовершенствованы методы статического зондирования для определения границ между слоями талых и мёрзлых грунтов и испытания грунтов с заданным режимом нагру-жения. Весьма интересным является расчётный способ определения прочности и долговечности мёрзлых грунтов по параметрам переохлаждения и кристаллизации грунтовой влаги.

Китайскими учёными из Института инженерных и экологических исследований холодных и аридных регионов АН КНР в результате прессиометрических испытаний высокотемпературных и сильнольдистых мёрзлых

грунтов на месте их залегания получены очень важные для проектировщиков зависимости деформации от напряжений, по которым найдены две основные характеристики механических свойств грунтов - модуль деформации и предел прочности. Выявлено повышение температуры образцов мёрзлого грунта при циклическом компрессионном нагружении в условиях постоянной температуры окружающей среды.

Российские учёные в различных аспектах рассматривали процессы пучения промерзающих грунтов (Д. К. Фёдоров, Н. Ф. Кривоногова, И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов, Г. П. Кузьмин, В. Н. Панин, А. А. Урбан, И. В. Дорофеев). В условиях урбанизированной территории нарушение требований норм и правил проектирования и эксплуатации сооружений, сопровождающееся изменениями термовлажностного режима грунтов, способствует развитию морозного пучения. На основе существующей линейной связи между горизонтальными деформациями и силами пучения по экспериментальным данным определены силы пучения в зависимости от глубины промерзания и температуры грунтов на экспериментальном полигоне. Приведено сравнение сил пучения, полученных расчётами и экспериментально. Предложен и экспериментально проверен метод определения величины морозного пучения грунтов по изменению их плотности, позволяющий изучать этот процесс без устройства реперов и заложения марок.

Сотрудниками Хэйлунцзянского университета КНР впервые разработана модель движения почвенной влаги

I

С пленарным докладом выступает начальник Вилюйской научно-исследовательской мерзлотной станции Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, к.т.н. С. А. Великин.

В перерыве между заседаниями. Заместитель директора Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН Л. Г. Ли с китайскими участниками.

и инфильтрации талых вод в условиях сезонного промерзания грунтов, учитывающая всё разнообразие определяющих факторов. Модели позволяют всесторонне описать эти процессы и могут служить основой для решения практических задач.

Российскими учёными рассматривались методические вопросы определения несущей способности мёрзлых грунтов основания различных видов фундаментов. Предложены математические модели для определения влияния знакопеременных температурных воздействий на процесс морозного выветривания грунтов, криогенных геологических процессов в изменяющихся природных и техногенных условиях, изучения температурного режима многолетнемёрзлых пород при открытом способе их разработки, исследования процесса переформирования термоабразионных и термокарстовых берегов водохранилищ в области вечной мерзлоты, а также расчёта распространения температурных волн в двухслойной среде из мёрзлого грунта и снежного покрова.

Китайскими учёными получены новые результаты по деформациям земляного полотна из засо-лённых грунтов, широко распространённых на северо-западе Китая, в зоне прохождения Цинхай-Тибетской железной дороги. Нагрузки на земляное полотно, величина и неравномерность деформации, вызванные фазовыми переходами воды и отжатием солей, возрастают с увеличением циклов промерзания-протаивания. В

средней части земляного полотна возникают деформации растяжения.

В гидротехническом институте провинции Хэйлунцзян (КНР) разработана и испытана система дистанционного мониторинга температуры грунтов, которая с учётом лабораторных определений температуры начала их замерзания позволяет автоматизировать процесс наблюдения за глубиной промерзания.

В совместном докладе учёных Института инженерных и экологических исследований холодных и аридных регионов АН КНР и Института физики окружающей среды Гейдельбергского университета (Германия) представлены результаты определения методом электрографии границ многолетне-мёрзлых пород, подземных льдов и таликов, показывающие возможности широкого применения этого метода при инженерно-геокриологических изысканиях.

На секции «Тепловое и механическое взаимодействие мёрзлых грунтов и инженерных сооружений в криолитозоне» (руководители секции: д.т.н., проф. Д. М. Шестернёв; д.т.н., проф. И. К. Растегаев; Ван Цзилян) в устных и стендовых докладах затрагивались проблемы прогноза техногенных воздействий на температурное поле грунтов оснований и управления этим воздействием для обеспечения эффективной и экологически безопасной эксплуатации инженерных сооружений. Обсуждались инновационные технические решения по термостабилизации многолетнемёрзлых пород

Участники симпозиума на горно-обогатительной фабрике № 3

АК «АЛРОСА».

при строительстве в криолитозоне, вопросы прогнозирования влияния подземного полимерного трубопровода теплоснабжения на вечномёрзлые грунты, управления мерзлотной обстановкой на инженерных объектах в криолитозоне, эффективность солнцезащитных навесов по стабилизации земляного полотна в холодных регионах по результатам натурных экспериментов, прогнозные расчёты мерзлотной противофильтрационной завесы плотины Вилюйской ГЭС-3 с использованием коллекторных сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ), вопросы тепломассопереноса в вертикальных охлаждающих трубах при работе на аммиаке, оценки критической динамической нагрузки для укреплённых

промерзающих-оттаивающих грунтов в основании высокоскоростных железных дорог, организации геокриологического мониторинга линейных сооружений (на примере железной дороги Беркакит - Томмот - Якутск), технической мелиорации массива грунтов в основании сооружений и др.

Были рассмотрены также результаты практической реализации уже известных разработок и их модификаций в области инженерной геокриологии. Доклады группы сотрудников Института мерзлотоведения СО РАН (С. П. Варламов, Ю. Б. Скачков, П. Н. Скрябин, Д. М. Шес-тернёв, А. В. Литовко и др.) были посвящены тепловому состоянию оснований насыпей железной дороги Том-мот - Кердем на участках распространения пород ледового комплекса и проблемам её эксплуатации. Результаты исследований позволили предложить рекомендации по укладке насыпи и управлению геокриологическими процессами, что существенно повышает надёжность оснований и земляного полотна железной дороги.

В докладе С. И. Заболотника и П. С. Заболотника были представлены результаты мониторинга температурного поля основания первого промышленного объек-

та, построенного в 1937 г в г. Якутске по принципу сохранения основания в вечномёрзлом состоянии, - Якутской теплоэлектроцентрали. Выявлены существенные изменения геокриологической обстановки более чем за 70-летний период эксплуатации. Предложенные превентивные мероприятия по восстановлению температурного режима грунтов основания позволили приостановить деградацию многолетнёмерзлых грунтов. В настоящее время в грунтах оснований наблюдается медленное восстановление существующего ранее температурного поля.

В докладах группы китайских учёных (Дунцин ЛИ, Сяньфу ДУН и др.) рассмотрены научно-методические и практические основы применения различных технологических приёмов для обеспечения устойчивости линейных сооружений (использование каменной наброски, СОУ, применение методов математической статистики для оценки пространственных закономерностей изменений льдистости и плотности скелета мёрзлых грунтов трассы Цинхай-Тибетской железной дороги, определение влияния транспортной нагрузки на насыпь при оттаивании льдистых грунтов основания).

В докладах Г. М. Долгих и группы соавторов, а также в показанном на заседании фильме проанализирован опыт применения СОУ для термостабилизации грунтов Иреляхской плотины и других инженерных сооружений в Западной Якутии, представлены рекомендации по использованию различных систем СОУ производства НПО «Фунда-ментстройаркос» (г. Тюмень).

В докладах секции «Тепло-физические, геофизические, гидрогеологические и геоэкологические аспекты освоения криолитозоны в условиях меняющегося климата» (руководители секции: д.г.-м.н., проф. В. В. Ше-пелёв, д.г.н. А. А. Галанин) были освещены результаты исследований в области оценки и прогноза влияния природных и антропогенных факторов на инженерно-физические свойства грунтов, геоморфологические и экологические условия ландшафтов криолитозоны и холодных высокогорных территорий. Эти исследования базируются на результатах многолетнего мониторинга температуры воздуха и грунтов, геохимических и гидрохимических данных, материалах натурных и дистанционных наблюдений за динамикой мерзлотных форм рельефа, в том числе геофизическими методами (А. А. Га-ланин, Л. Д. Иванова, Н. А. Павлова, Л. Л. Фёдоров, К. О. Соколов, В. Н. Макаров, Н. В. Торговкин, В. Н. Ефремов, Л. Г. Нерадовский идр.).

В ряде докладов освещались разработки в области оптимизации приёмов инженерного проектирования и системного анализа с использованием ГИС-технологий, оценки рисков техногенных катастроф, совершенствова-

Группа участников симпозиума на смотровой площадке карьера трубки «Мир» АК «АЛРОСА».

ния известных методов и приёмов строительства для повышения его качества и улучшения комфортности проживания населения в северных регионах.

Представленные доклады освещают географические, методические и предметные разнообразные вопросы. В некоторых из них предлагается новое техническое решение крайне важных и насущных проблем строительства. Например, в докладе В. В. Шепелёва и Т. Р. Чжан, посвященном вопросу подтоплений на урбанизированных территориях криолитозоны, авторы приходят к выводу, что нарушение естественного дренажа поверхностных вод в результате застройки и особенно прокладки автодорожных насыпей препятствует над-мерзлотному стоку. Это приводит к застойным явлениям и заболачиванию, растеплению и деградации мерзлоты, потере несущей способности оснований свай. Для решения проблемы исследователи говорят о необходимости учёта не только ливневого, но и надмерзлотного стока, предлагают к обсуждению ряд технологических решений, в том числе комплексную систему дренирования застроенной территории.

Экскурсия участников симпозиума на каскаде Вилюйских ГЭС АК «Якутскэнерго».

В нескольких докладах (Ю. Б. Скачков, Л. Г. Нерадов-ский и др.) была затронута проблема глобальных климатических изменений и их непосредственного влияния на температуру мёрзлых грунтов в естественных условиях и на участках техногенного освоения.

На каждой из секций был определён лучший доклад. Ими признаны следующие три доклада:

1) «Влияние циклов промерзания-протаивания на гранулометрический состав грунтов» (автор - Цзэ Чжан, профессор, Главная государственная лаборатория по строительству на мёрзлых грунтах Института инженерных и экологических исследований холодных и аридных регионов АН КНР, г Ланчьжоу);

2) «К вопросу о системах контроля гидротехнических объектов в криолитозоне на примере Вилюйской ГЭС-3» (автор - С. А. Великин, к.т.н., начальник Вилюйской

научно-исследовательской мерзлотной станции Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, пос. Чернышевский);

3) «Новые возможности изучения мерзлых грунтов радиоимпедансным зондированием» (автор - В. Н. Ефремов, к.т.н., ведущий научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН).

Несколько слов об экскурсионной части симпозиума. Мирнинский район Западной Якутии - в геокриологическом отношении известный в мире как уникальный регион, где мощность криолитозоны, имеющей сложное многоярусное строение, достигает 1,5 км. На многолетне-мёрзлых породах здесь построены крупные горнообогатительные комбинаты, населённые пункты, подземные рудники, гидроэлектростанции и гидроузлы с водохранилищами, хвостохранилища; осуществляется откачка высокоминерализованных вод в значительных объёмах; проведены подземные промышленные взрывы. Всё больших затрат требуется для обеспечения сохранности мёрзлого основания зданий и инженерных сооружений в условиях меняющегося климата.

Участникам симпозиума были предоставлены автобусы, и профессиональные гиды провели экскурсии при посещении следующих объектов АК «АЛРОСА» и АК «Якутскэнерго»: смотровая площадка карьера трубки «Мир», Цех сортировки алмазов, музей кимберлитов, историко-производственный музей АК «АЛРОСА», обогатительная фабрика № 3, природный парк «Живые алмазы Якутии», каскад Вилюйских ГЭС-1, 2 и в пос. Чернышевском Мирнинского района. Экскурсионная программа была очень познавательной и никого не оставила равнодушным. Например, мастерами Цеха по сортировке алмазов была изготовлена и выставлена в витрине эмблема симпозиума из якутских алмазов.

Заслушав и обсудив представленные доклады, IX Международный симпозиум по проблемам инженерного мерзлотоведения констатировал:

- за последние два года возрос уровень теоретических, научно-методических и прикладных разработок в области инженерного мерзлотоведения, сократилось время их внедрения, резко увеличилась инновационная направленность геокриологических исследований;

- в Китае, США, Германии и других странах продолжают активно развиваться исследования по различным направлениям инженерного мерзлотоведения, прежде всего в научно-методическом отношении и проведении опытно-экспериментальных работ;

-учеными Китайской Народной Республики успешно решаются проблемы использования современных средств управления геокриологическими условиями для обеспечения высокой эффективности проектирования, строительства и эксплуатации линейных сооружений в криолитозоне;

- учёными России теоретически обоснованно и успешно развивается новое научное направление в инженерном мерзлотоведении, ориентированное на создание геотехнологий для широкого практического использования строительных ресурсов криолитозоны;

- в Российской Федерации наметилось увеличение финансирования фундаментальных инженерно-геокриологических исследований в рамках реализации федеральных мегапроектов в условиях криолитозоны; произошло существенное снижение темпов оттока специалистов высокой квалификации, занимающихся разработкой и внедрением новых технических средств управления физико-механическими, теплофизическими и фильтрационными свойствами мёрзлых, промерзающих и протаивающих горных пород, разработкой современного научного оборудования и приборов, соответствующих международным стандартам;

- отмечается повышение качества в координации инженерно-геокриологических исследований, проводимых различными государственными и частными организациями в России и за рубежом.

В условиях глобального изменения климата и повышения масштабов освоения территории криолитозоны симпозиум предложил считать приоритетным в ближайшие годы решение следующих задач:

- разработка теории и методики оценки трансформации вещественного состава, строения и свойств мёрзлых, промерзающих и протаивающих горных пород с учётом периодичности изменений климата и техногенной нагрузки на природную среду;

- дальнейшее совершенствование методов математического, физического, картографического и компьютерного моделирования для оценки влияния изменений климата на тепловое и механическое состояние геотехнических систем в криолитозоне и развития опасных криогенных физико-геологических процессов;

- изучение изменений вещественного состава, строения, теплофизических и физико-механических свойств различных типов грунтов при их циклическом промерзании и протаивании;

- совершенствование теории надёжности геотехнических систем в криолитозоне и методов их управления в условиях изменяющегося климата;

- совершенствование фундаментостроения на основе применения материалосберегающих технологий, создания современных термически устойчивых и теплосберегающих конструкций зданий и сооружений;

- разработка и испытание новых конструкций свайных фундаментов, адаптирующихся к изменяющимся температурным условиям многолетнемёрзлых грунтов;

- физическое моделирование процессов взаимодействия свайных фундаментов и грунтовых оснований с изменяющимися теплофизическими и физико-механическими свойствами;

- разработка инновационных технологий строительства и эксплуатации нулевых циклов зданий в крио-литозоне с проездными проветриваемыми подпольями;

- разработка технологий управления температурным режимом мёрзлых грунтовых оснований зданий и сооружений с помощью тепловых насосов;

- разработка и опытное испытание эффективных типов устройств по дренированию надмерзлотного стока на осваиваемых территориях криолитозоны;

- разработка научно-практических основ по использованию льда, органогенных, крупнообломочных и других типов низкотемпературных грунтов естественного генезиса, а также различных льдогрунтовых композиций в качестве криогенных строительных материалов и для создания оснований инженерных сооружений в криоли-тозоне.

Для повышения эффективности инженерно-геокриологических исследований и изысканий, обеспечения экологической безопасности на осваиваемых территориях криолитозоны, повышения качества подготовки специалистов и усиления координации работ в области инженерного мерзлотоведения симпозиум рекомендует:

- совершенствование технологии и приборной базы инженерно-геокриологического мониторинга с учётом типов геотехнических систем и условий их функционирования в криолитозоне;

-- укрепление лабораторной базы инженерного мерзлотоведения путём выделения целевого финансирования для проведения инженерно-геокриологических исследований на современном мировом уровне;

- разработку единого международного методического стандарта на проведение мониторинговых и экспериментальных инженерно-геокриологических исследований с целью создания условий для однозначного анализа результатов, получаемых исследователями разных стран, и единой базы данных;

-организацию в г Якутске международного комплексного инженерно-геокриологического полигона для проведения экспериментальных исследований и опытных испытаний новых конструкций свай, дренажных устройств и других инженерных разработок;

- совершенствование нормативной базы инженерно-геокриологических изысканий с учётом стадий проектирования инженерных сооружений;

- разработку инженерных криотехнологий освоения нефтеконденсатных месторождений в криолитозоне;

- создание мобильных комплексов для проведения экспресс-исследований физико-механических и тепло-физических свойств мёрзлых и протаивающих грунтов в полевых условиях;

- активизировать международный обмен опытом между инженерами-мерзлотоведами, практиковать в большем масштабе организацию тематических рабочих совещаний, приглашение иностранных специалистов для стажировки и чтения курсов лекций, проведение на-учныхэкскурсий и т.д.;

- руководству Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова (г. Якутск, Россия) рассмотреть вопрос о кадровом и материальном усилении кафедры мерзлотоведения, занимающейся подготовкой специалистов в области инженерного мерзлотоведения, гидрогеологии и геоэкологии криолитозоны;

- провести Х Международный симпозиум по проблемам инженерного мерзлотоведения в 2014 г. в г. Харбине (Китайская Народная Республика).

Оргкомитет IX Международного симпозиума по проблемам инженерного мерзлотоведения выразил особую благодарность руководству Республики Саха (Якутия), Государственному комитету по инновационной политике и науке РС(Я), администрациям муниципальных образований «Мирнинский район» и «г. Мирный», а также всем спонсорам за большую помощь в его организации и успешном проведении.