CC BY
41О МАСШТАБАХ РАСТЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ В ОСНОВАНИИ ЗДАНИЙ ЯКУТСКОЙ ТЭЦ
С. И.Заболотник
Станислав Иванович Заболотник,
кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории общей геокриологии Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН
Якутская центральная электрическая станция (ЯЦЭС) была введена в постоянную эксплуатацию 7 ноября 1937 г. и с тех пор снабжает город Якутск электроэнергией. В 1961 г. была проложена первая теплотрасса и подведено отопление в жилой дом [1].
Здание ЯЦЭС является первым промышленным объектом страны, построенным по принципу сохранения грунтов его основания в много-летнемёрзлом состоянии. Поэтому неслучайно её первая очередь возводилась под постоянным контролем и при участии мерзлотоведов, среди которых были ведущие учёные страны: член-корреспондент АН СССР, профессор Н. А. Цытович; кандидат технических наук (в дальнейшем -доктор, профессор) Н. И. Салтыков. Производством фундаментных работ и возведением основного здания руководил известный инженер-
мерзлотовед (впоследствии - заместитель директора Института мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН СССР) к.т.н. В. Ф. Жуков. Кроме того, начальник Якутской научно-исследовательской мерзлотной станции (ЯНИМС) П. И. Мельников в 1939 -1947 гг. проводил регулярные наблюдения за температурным режимом грунтов под зданием ЯЦЭС.
Сохранение многолетнемёрз-лого состояния грунтов основания было обеспечено путём установки здания на колонны, поднимающие его над поверхностью земли. Между поверхностью земли и зданием было оставлено сквозное проветриваемое подполье высотой 1,2 - 1,8 м, предназначенное для защиты грунтов основания от глубокого оттаивания под воздействием внутреннего тепла здания, а также для накопления запасов холода в них в зимнее время (рис. 1.).
Рис. 1. Проветриваемое подполье под юго-восточной частью главного корпуса.
Фото С. И. Заболотника, 5 ноября 2009 г.
Фундаменты первой очереди ЯЦЭС представляют собой отдельно стоящие (через 5 - 7 м) железобетонные колонны с башмаками. В зависимости от запроектированной нагрузки колонны имеют сечение от 30*30 до 80*80 см, а башмаки основания - от 130*130 до 317*317 см. Фундаменты установлены на глубину 4,5 м от дневной поверхности на ростверк, состоящий из двух рядов лиственничных брусьев сечением 20*20 см, уложенных в перекрёстном направлении. Фундаменты под турбогенераторы выполнены в виде сплошных бетонных плит площадью около 60 м2 и толщиной 1 м, уложенных на ростверк из расположенных в перекрёстном направлении пяти рядов аналогичных лиственничных брусьев. Кирпичные стены здания покоятся на железобетонных мощных монолитных рандбалках, которые жёстко связаны с колоннами [2].
Все работы по подготовке котлованов, установке фундаментных колонн и плит, а также засыпке их грунтом производились в зимнее время. Одновременно происходило и их промораживание. Котлованы засыпались мёрзлым грунтом из отвалов слоями по 20 - 25 см. Пустоты между комьями мёрзлого грунта заполнялись сухим песком, а образовавшаяся после этого масса утрамбовывалась. Пространство вокруг колонн засыпалось песчано-гравийным грунтом.
В связи с постоянным увеличением сети тепловых магистралей в 1969 г ЯЦЭС была реорганизована в Якутскую теплоэлектроцентраль — ЯТЭЦ. Кроме того, с ростом города ему требовалось и больше электроэнергии, поэтому здания ЯТЭЦ неоднократно расширялись и реконструировались в соответствии с современными требованиями. Во время этих работ неукоснительно соблюдался первый принцип строительства - сохранение грунтов основания в многолетнемёрзлом состоянии.
ЯТЭЦ расположена в северо-восточной части Якутска, на аллювиальной террасе р. Лены, возвышающейся над уровнем меженных вод на 9-10 м и имеющей ширину около 3 км (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид Якутской ТЭЦ.
Фото П. С. Заболотника, 5 сентября 2013 г.
Центральная Якутия, в пределах которой находится г. Якутск, относится к области сплошного распространения многолетнемёрзлых пород (ММП), мощность которых в регионе изменяется от 100 до 300 м, а средняя годовая температура их на глубине 20 м составляет минус 2 - минус 4 °С [3].
В районе ЯТЭЦ, по данным Н. И. Салтыкова, мощность вечномёрзлой толщи достигала 180 - 200 м, а средняя годовая температура грунтов на глубине 15 м непосредственно на площади застройки до возведения сооружений изменялась от -3 до -5 °С. Через десять лет после заложения фундаментов, по наблюдениям П. И. Мельникова, температура грунтов на глубине 5 м колебалась от -3,2 до -3,6 °С, а мощность сезоннопро-таивающего слоя уменьшилась на 0,8 м и не превышала 1 м [2].
Площадка вокруг главного корпуса ЯТЭЦ и ряда других служебных помещений частично асфальтирована и до глубины 1 - 4 м представлена насыпным грунтом из разнозернистых песков, реже - суглинков с примесью щебня, гальки и шлака. Ниже повсеместно залегают аллювиальные отложения, представленные песками мелкозернистыми, часто переслаивающимися со средне- и крупнозернистыми. В верхней части разреза (до 11 - 15 м) встречаются отдельные горизонты супесей, линзы и прослои суглинков, супесей и тонкозернистых песков, а также включения растительного детрита.
В течение первых 29 лет эксплуатации Якутской ТЭЦ под зданиями, а также на примыкающих к ним участках сформировалась обширная таликовая зона (рис. 3).
Основные причины образования таликов - это тепловыделение от заглубленных объектов и утечки горячих производственных вод непосредственно в грунты основания, а также вдоль линии их сброса из дефектных дренажных труб, канализационной сети и других коммуникаций.
Для промораживания грунтов основания под частью главного корпуса, в непосредственной близости от которой находится циркуляционная насосная станция, в 1967 г. вдоль юго-восточной стены были установлены и пущены в эксплуатацию 6 многотрубных сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ) системы С. И. Гапеева объёмом по 500 л керосина каждая (см. рис. 3, № 1 - 6). В 1973 г. уже с трёх сторон этой части здания были установлены ещё 17 аналогичных устройств, размещённых на расстоянии 1,7 - 3,5 м от стен здания с шагом от 2,9 - 3,1 до 5 - 7 м. По заключению «Сибтехэнерго» [5] благодаря работе этих СОУ за две зимы температура грунтов на глубине 6 м понизилась от положительных значений до -3 °С. Автор изобретения в статье, опубликованной в 1983 г, сообщал: «Внедрение... многотрубных автоматически действующих охлаждающих установок позволило...
Рис. 3. Изменение границ таликов на площадке ЯТЭЦ с 1976 по 1986 гг. :
1 - сезоннодействующие охлаждающие установки (СОУ);
2 - скважина и её номер. 3 - 5 - границы таликов по данным:
3 - Якутского отделения Красноярского треста инженерно-
строительных изысканий, 1976 [4]; 4 - Новосибирского производственного объединения «Сибтехэнерго», 1978 [5]; 5 - Института мерзлотоведения СО АН СССР, 1986 [6]
восстановить мёрзлое основание и усилить его под деформирующимися зданиями ЯТЭЦ» [7, с. 54].
Ввод в действие СОУ действительно усилил мерзлотный режим грунтов в непосредственной близости от них. Однако полного ожидаемого эффекта по промораживанию грунтов оснований фундаментов получить не удалось. Одной из главных причин этого является то, что СОУ были установлены на достаточно большом расстоянии как от стен здания, так и между собой. На основе результатов многочисленных опытных данных Л. Н. Хрусталёв, О. М. Янченко и Л. А. Наумова сделали вывод, «что в зависимости от климатических и мерзлотно-грун-товых условий удаётся достичь замораживания грунта в радиусе от 1 (Красноярск) до 2,5 м (Воркута)» [8, с. 5]. Аналогичные данные по радиусу промораживания грунтов с помощью СОУ за один зимний сезон получили Ю. С. Миренбург, Ю. Г Федосеев [9] и Ю. А. Александров [10]. Следовательно, было мало шансов проморозить талик под зданием, поскольку большинство СОУ находились или
около от него, или за пределами радиуса их действия.
Подтверждение тому, что талик под главным корпусом проморозить полностью не удалось, мы получили во время проведения собственных исследований на территории ЯТЭЦ. Измерения температуры грунтов в скважинах № 3, 5 и 30, находящихся в непосредственной близости от СОУ (около 1 м), показали, что с октября 1982 г. по февраль 1986 г. температура грунтов в интервале глубин от 5 до 14 м изменялась от -0,5 до -6,9 °С. Тем не менее непосредственно под южным углом главного корпуса, вокруг которого с наружной стороны установлены СОУ, талик сохранился (см. рис. 3), а температура грунтов с мая 1985 г. по апрель 1986 г. на глубине 4 м колебалась от -0,4 до +1,8 °С [6]. Промораживанию талика в этом месте в значительной мере препятствовали постоянные тепловыделения от заглубленной на 12 м циркуляционной насосной станции и полузаглубленных трубопроводов, а также периодические утечки горячей воды и заполнение льдом проветриваемого подполья.
Утечки горячей воды из различных систем и агрегатов оказывают довольно значительное воздействие на многолетнемёрзлые породы как в основании сооружений ЯТЭЦ, так и на прилегающей к ним территории. Особенно сильное растепление ММП было установлено нами во время исследований, проведённых в 1982 - 1985 гг. Выброс конденсата из торца котельного отделения, пристроенного к главному корпусу, привёл к оттаиванию мёрзлых пород в этом месте (см. рис. 3, скв. 9) на глубину 24,5 м, а талик распространился далеко под здание и вокруг него. В результате периодических аварийных утечек горячей воды температура грунтов под зданием значительно повысилась. В отдельные сроки на глубине 9 м она превышала 20 °С и изменялась в широком диапазоне: от +20,4 до +50,7 °С (рис. 4).
->-18.10.82 ->-05.12.83 -»-14.05.84 -•-25.11.85
Рис. 4. Изменение средней годовой температуры грунтов около торца здания водогрейных котлов (скв. 9) с октября 1982 г. по сентябрь 1985 г.
Проблема полного предотвращения утечек горячей воды из тепловых сетей окончательно до сих пор так и не решена. Они наблюдались нами визуально и фиксировались при измерении температуры грунтов в дальнейшем практически во все годы наблюдений. Так, в скв. 35, расположенной около северо-восточной стены здания водогрейных котлов (рис. 5), температура грунтов с 24 февраля до 29 марта 2011 г. повысилась настолько, что в интервале 3,1 - 5,5 м составляла более +35 °С (рис. 6).
Рис. 5. Схема расположения геотермических скважин
Предотвращение и своевременное устранение утечек горячей воды было одной из главных задач для руководства ЯТЭЦ в течение всего периода её эксплуатации. При этом основная проблема состоит в том, что утечки воды были практически неизбежны, поскольку все коммуникации были выполнены из железных труб,
которые довольно быстро ржавеют и выходят из строя (особенно при транспортировке горячей воды). Кроме того, значительные утечки воды зачастую возникают в малозаметных и труднодоступных местах. Конечно, химическая очистка воды удлиняет срок службы труб, однако не гарантирует их длительную безаварийную эксплуатацию.
Отепляющий эффект от утечек воды непосредственно под здания проявлялся не только в летнее время, но и зимой, так как образующийся при этом лёд постепенно заполнял проветриваемое подполье. В результате наледь с одной стороны действовала как изолятор, предохраняя основания от охлаждения наружным воздухом, а с другой, перекрывая подполье, вообще исключала циркуляцию воздуха под зданием. В 80-е годы ХХ в. наледи под зданиями ЯТЭЦ достигали значительных размеров. По нашим наблюдениям, в конце марта 1986 г. наледь под главным корпусом составляла единое поле, общий объём льда в котором превышал 600 м3. Причем лёд практически полностью заполнял проветриваемое пространство (рис. 7, 8).
ШВГ^**" -¿аяя
Рис. 7. Заполненное льдом подполье под восточной частью главного корпуса ЯТЭЦ.
Фото Н. И. Новикова, 27 марта 1986 г.
ирм
РЧв^ V-'
Рис. 8. Наледь под центральной частью главного корпуса ЯТЭЦ, около скважины 19 (см. рис. 3).
Фото Н. И. Новикова, 27 марта 1986 г.
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 °С
V. жв.
11
—°—29.03.11 I
Рис. 6. Влияние утечек горячей воды в марте 2011 г. на температуру грунтов около торца здания водогрейных котлов ЯТЭЦ
Рис. 9. Ледяные натёки под южной частью главного корпуса между скважинами 53 и 2т.
Фото А. Л. Лобанова, 26 февраля 2013 г.
Результаты наших исследований [6] были учтены руководством ЯТЭЦ, и летом 1986 г. проветриваемое подполье под главным корпусом было полностью очищено ото льда. В дальнейшем его очистка от эпизодически образующихся наледей стала проводиться регулярно.
Тем не менее ледяные образования частично заполняли проветриваемое подполье и в текущем десятилетии. Последний раз они наблюдались в феврале 2013 г. во время измерения температуры грунтов под южной частью главного корпуса (рис. 9, 10).
Кроме того, в центре южной половины главного корпуса вблизи скв. 53 (см. рис. 5) наледь полностью закрыла дно подполья и заполнила значительную часть этого участка (рис. 11).
В результате воздействия многих факторов на территории ЯТЭЦ сформировалась довольно сложная мерзлотная обстановка. За более чем 75-летний период эксплуатации ЯТЭЦ под различными частями его главного корпуса и пристроек сформировались обширные по площади и мощности таликовые зоны (рис. 12). Самый высокотемпературный талик сохранился вокруг заглубленного здания циркуляционной насосной станции. Отапливаемое помещение этой станции является постоянным источником тепла большой мощности. Длительное тепловое излучение из неё привело к тому, что грунты вокруг оттаяли на значительную глубину. В июле
Рис. 10. Ледяные бразования под южным углом главного корпуса.
Фото А. Л. Лобанова, 26 февраля 2013 г.
2005 г. при бурении скважины 31, расположенной в непосредственной близости от станции, было установлено, что грунты оттаяли до глубины 23 м, а таликовая зона вокруг неё распространилась не менее чем на 25 м и захватила южный угол главного корпуса. В 2011 г. средняя годовая температура грунтов здесь на глубине 3 - 10 м
Рис. 11. Наледь под главным корпусом вблизи скважины 53.
Фото А. Л. Лобанова, 26 февраля 2013 г.
зодоочистка ВО)
Рис. 12. Средняя годовая температура грунтов на глубине 4 м в 2011 г.
была около +10 °С и достигала максимума (+13,2 °С) на глубине 6,5 м [11].
Непосредственно около стены главного корпуса ЯТЭЦ средняя годовая температура грунтов талика была намного ниже и в 2011 г. на глубине заложения фундаментов составляла +1,5-1,6 °С, а глубже 13,5 м равнялась +1,0 °С.
Второй мощный талик сформировался под восточной частью первой очереди здания водогрейных котлов (ЗВГ-1). В 1986 г. мощность этого талика, в непосредственной близости от восточного торца ЗВГ-1 (см. рис. 3, скв. 9), составляла 24,5 м. В 1989 г. к ЗВГ-1 был пристроен новый корпус здания водогрейных котлов (ЗВГ-2). К сожалению, при подготовке котлована 25-метровая скважина 9 и скважина 28 были уничтожены. Вместо них были пробурены 12 новых скважин, но только 4-метровой глубины. Хотя перед возведением нового корпуса котлован промораживался в зимнее время, талик сохранился здесь и до настоящего времени. Он находится под большей частью ЗВГ-2 (см. рис. 12) и простирается далеко за его пределы. Средняя годовая температура грунтов непосредственно под этим зданием с 2008 по 2011 гг. на глубине 4 м изменялась от +0,3 до +2,9 °С. Мощность талика под ним в настоящее время оценить невозможно из-за малой глубины скважин.
Третий талик находится под южной частью углекис-лотного цеха (УКЦ). В 2008 г. мощность этого талика составляла 11,5 м, а средняя годовая температура грунтов не превышала +1,8 °С. После растепления грунтов в результате утечек воды, зафиксированных измерениями в скважине 11т, температура грунтов в интервале 7 - 10 м в сентябре 2010 г. превышала +6 °С, к маю 2013 г. она понизилась до +0,3 - 0,0 °С, а в сентябре 2013 г. вновь возросла до +3,0 - 3,4 °С.
Четвёртый талик отмечен под зданием хим-водоочистки (ХВО). Его особенностью является то, что он находится на глубине более 7 м и располагается только под восточной частью здания. При проходке скважин его мощность не была установлена. Не удалось определить мощность талика и по результатам геотермических измерений, так как температура грунтов с глубиной только повышается. Все фундаменты ХВО опираются на мёрзлое основание, температура которого изменяется от -0,8 до -2,3 °С.
Повышение температуры многолетнемёрз-лых пород до близких к нулю значений, и особенно оттаивание их, приводят к значительному уменьшению несущей способности фундаментов. При оттаивании мёрзлых пород под частями зданий ЯТЭЦ возникали неравномерные осадки отдельных элементов конструкций. При последующем промораживании грунтов, наоборот, происходило их выпучивание. С 1982 по 2002 гг. соблюдалась общая тенденция вертикальных перемещений фундаментов: южный угол главного корпуса и примыкающие к нему части здания, под которыми был отмечен талик, постоянно оседали, а на промерзающих участках происходило выпучивание конструкций. Хотя в годовом цикле осадки не превышали 3 мм, а выпучивание - 1,1 мм, подвижки фундаментов приводили к различного рода деформациям, наиболее характерными из которых являются трещины на стенах, частичное разрушение оголовков свай и сколы с оголённой арматуры, прогибы рандбалок [12].
Проведение ряда превентивных мероприятий способствовало стабилизации деформаций. В результате вертикальные перемещения фундаментов, как правило, не превышают предельно допустимую величину, хотя наблюдались и отклонения, которые при дальнейшем нарастании деформаций могут представлять серьёзную опасность как для отдельных частей главного корпуса ЯТЭЦ, так и в целом для всего комплекса сооружений. Главной задачей дальнейших исследований является регулярный анализ состояния грунтов в основании фундаментов, аномальных изменений их температуры и вертикальных перемещений фундаментов.
Список литературы
1. Над Леной ТЭЦ - как бригантина / В. Андриевский [и др.] ; под ред. Л. Завацкой, Т. Данилевской. -Красноярск: Платина, 2007. - 136 с.
2. Цытович, Н. А. Фундаменты электростанции на вечной мерзлоте (опыт проектирования, возведения и эксплоатации Якутской центральной электростанции по принципу сохранения вечной мерзлоты) / Н. А. Цытович [и др.]. - М. ; Л. : Изд-во Академии наук СССР, 1947. - 104 с.
3. Балобаев, В. Т. Геотермия мерзлой зоны литосферы севера Азии / В. Т. Балобаев. - Новосибирск : Наука, Сибирское отделение, 1991. - 194 с.
4. Технический отчёт по результатам инженерно-геологических изысканий на участке расширения Якутской ТЭЦ. - Красноярск ; Якутск : Объединение «Стройизыскания», КрасТИСИЗ, Якутское отделение, 1976. - 43 с.
5. Гилевич, В. Г. Заключение по результатам обследования зданий и сооружений и изготовлению контрольного цикла наблюдений Якутской ТЭЦ / В. Г. Гилевич, Г. Н. Неупокоев. - М. ; Новосибирск: Производственное объединение по наладке, совершенствованию и эксплуатации электростанций и сетей «Союзтех-энерго» Министерства энергетики и электрификации СССР, предприятие «Сибтехэнерго», 1978. - 37 с.
6. Заболотник, С. И. Динамика температурного режима, сезонного и многолетнего протаивания (промерзания) грунтов и осадки фундаментов Якутской ТЭЦ / С. И. Заболотник, Н. И. Новиков. - Якутск : Институт мерзлотоведения СО АН СССР, 1986. - 355 с.
7. Гапеев, С. И. Опыт использования охлаждающих установок в районах распространения вечной мерзлоты / С. И. Гапеев // Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств. - Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО АН СССР, 1983. - С. 41-58.
8. Хрусталёв, Л. Н. Опыт и перспективы использования автономных парожидкостных охлаждающих устройств в строительстве на вечномёрзлых
грунтах / Л. Н. Хрусталёв, О. М. Янченко, Л. А. Наумова // Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств. - Якутск : Изд-во Института мерзлотоведения СО АН СССР, 1983. - С. 3-12.
9. Миренбург, Ю. С. Взаимодействие термосвай с промораживаемым основанием / Ю. С. Миренбург, Ю. Г. Федосеев // Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств. - Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО АН СССР, 1983. - С. 82-88.
10. Александров, Ю. А. Опыт использования термосвай при строительстве в Воркутинском районе / Ю. А. Александров // Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств. - Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО АН СССР, 1983. - С. 88-94.
11. Заболотник, С. И. Динамика температуры грунтов вокруг и под зданиями Якутской тепловой электроцентрали /С. И. Заболотник, П. С. Заболотник //Криосфера Земли. - 2016. - Т. XX, № 1. - С. 70-80.
12. Заболотник, С. И. Осадка и выпучивание фундаментов Якутской ТЭЦ в процессе 35-50-летней её эксплуатации / С. И. Заболотник, Н. И. Новиков // Обеспечение надёжности, долговечности зданий и сооружений в холодных регионах. - Якутск : Изд-во ЯкутПНИИС, 2002. - С. 51-56.
ЩЫ<Е Т&СИШ
Босиков Николай Петрович / Сиб. отд-ние РАН, ФГБУН Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова ; [авт.-сост. И. С. Угаров, А. Н. Фёдоров] ; отв. ред. П. Я. Константинов. - Якутск : Изд-во ФГБУН Ин-та мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, 2016. - 60 с. - (Серия «Учёные-мерзлотоведы»).
БОСИКОВ НИКОЛАЙ ПЕТРОВИЧ
Настоящая публикация является продолжением серии биографо-библиографичес-ких очерков «Учёные-мерзлотоведы», которая издаётся Институтом мерзлотоведения СО РАН с 1997 г. в городе Якутске.
Издание посвящено памяти выдающегося учёного-мерзлотоведа кандидата географических наук Николая Петровича Босикова (1936 - 2013 гг.), внёсшего большой вклад в изучение эволюции аласов, особенностей развития термокарстовых ландшафтов и криолитологии четвертичных отложений термокарстовых озёр.
