Температура, сезонное протаивание и промерзание грунтов под зданиями Якутской ТЭЦ и на прилегающей к ним территории Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.345

Температура, сезонное протаивание и промерзание грунтов под зданиями Якутской ТЭЦ и на прилегающей к ним территории

С.И. Заболотник, П.С. Заболотник

Проведён годичный цикл ежемесячных измерений температуры грунтов в 38 скважинах глубиной до 16 м. Установлено, что на большей части ЯТЭЦ грунты находятся в мёрзлом состоянии. Температура их в интервале 4-10 м под главным корпусом находится в пределах от -3,5 до 0°С. Под зданиями и около них сформировались таликовые зоны. Мощность их изменяется от 4-5 до 23-25 м, а температура - от 0 до 8,0-11,5°C. Мощность слоя сезонного промерзания грунтов в таликах изменяется от 2,2 до 4,2 м. Глубина сезонного протаивания грунтов составляет 1,6-2,9 м около северной стороны зданий и возрастает до 3,0-3,6 м вблизи южной. Непосредственно под зданиями она достигает 3,1-3,3 м.

Ключевые слова: деятельный слой, температура грунтов, талики.

Ground temperatures at the Yakutsk Combined Heat and Power Plant were measured in 38 boreholes, up to 16 m in depth, at monthly intervals over an annual cycle. The measurements indicate that the ground is in a frozen state over much of the site. Beneath the main building, ground temperatures in the depth interval 4-10 m range from -3.5 to 0°C. Thaw zones have developed beneath and adjacent to the buildings. They vary from 4-5 to 23-25 m in thickness and their temperatures range from 0 to 8.0-11.5°C. The depth of seasonal freezing varies from 2.2 to 4.2 m. The depth of seasonal thawing ranges from 1.6-2.9 m on the northern side to 3.0-3.6 m on the southern side of the buildings. Beneath the buildings, the seasonal thaw depth is as much as 3.1-3.3 m.

Key words: active layer, ground temperature, permafrost, taliks.

Введение

Якутская тепловая электроцентраль (ЯТЭЦ) является первым промышленным объектом СССР, построенным в 1937 г. по принципу I использования вечномёрзлых грунтов основания. Сохранение их в мёрзлом состоянии было обеспечено путем устройства сквозного проветриваемого подполья высотой 1,2-1,8 м. Все работы по подготовке котлована, установке фундаментных колонн и плит, а также засыпка их грунтом производились в зимнее время, чтобы в процессе работ одновременно происходило промораживание пройденного в летнее время котлована.

Через десять лет после ввода ЯТЭЦ в эксплуатацию по наблюдениям П.И.Мельникова температура грунтов в основании фундаментов главного здания на глубине 5 м изменялась от -3,2 до -3,6°С, а мощность сезоннопротаивающего слоя не превышала 1 м [1].

ЗАБОЛОТНИК Станислав Иванович - к.г.-м.н., в.н.с. ИМЗ СО РАН, [email protected]; ЗАБОЛОТНИК Павел Станиславович - инженер-исследователь ИМЗ СО РАН, 8(4112) 33-47-48.

В связи с постоянно растущими потребностями города в электричестве и тепле неоднократно проводились расширения и реконструкции зданий ЯТЭЦ, при которых всегда соблюдался первый принцип строительства - сохранение многолет-немёрзлого состояния грунтов оснований. Тем не менее в процессе длительной эксплуатации вокруг здания круглой насосной станции, частью главного корпуса, пристроев для водогрейных котлов и углекислотного цеха, а также на примыкающих к ним территориях образовались талико-вые зоны. Основная причина их формирования - утечки нагретых производственных вод непосредственно в грунты оснований, а также вдоль линий их транспортировки из дренажных труб, канализационных сетей и других коммуникаций.

Для промораживания талика по периметру южной части главного корпуса были установлены 23 сезоннодействующие охлаждающие установки (СОУ) системы С.И.Гапеева. Принцип работы СОУ, «погруженных нижней частью в грунт, основан на том, что при понижении температуры воздуха в верхней части установки, возвышающейся над грунтом, керосин быстро охлаждается, плот-

С

Рис. 1. Схема расположения зданий ЯТЭЦ, наблюдательных скважин и средние годовые температуры грунтов за 2008 г. на глубине 4 м

ность его при этом увеличивается и в результате в однотрубной установке происходит конвекция, а в двух-, трех- и многотрубной - циркуляция теплоносителя (керосина)» [2, с. 44]. Ввод в действие СОУ привел к существенному сокращению площади таликовых зон, однако местами они сохранились и до настоящего времени (рис. 1).

Постановка проблемы, организация и методика исследований

За более чем 70-летний период эксплуатации целого комплекса сооружений со значительными тепловыделениями на территории ЯТЭЦ сформировалась довольно сложная мерзлотная обстановка. Для её уточнения и анализа в 2008 г. был осуществлен годичный цикл наблюдений

за температурами грунтов как непосредственно под зданиями, так и вдоль стен на прилегающих к ним участках.

Измерения проводились ежемесячно в 38 скважинах с помощью полупроводниковых сопротивлений (терморезисторов), смонтированных в специальные термоустановки в соответствии с Руководством, разработанным в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН [3].

Все скважины были подготовлены для долговременных геотермических измерений, для чего они были обсажены на полную глубину герметично заваренными (снизу и на стыках) металлическими трубами диаметром 40-50 мм. Затрубное пространство вокруг скважин было засыпано сухим песком. Для предотвращения попадания в

скважины осадков и наружного воздуха, особенно в зимнее время, обсадные трубы сверху были закрыты металлическими нарезными крышками.

Инженерно-геокриологическая характеристика территории ЯТЭЦ

Якутская ТЭЦ находится в северо-восточной части города на берегу городской протоки р. Лены. Она расположена на второй аллювиальной террасе, возвышающейся над уровнем меженных вод на 9-10 м и имеющей ширину около 3 км.

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 — от -2 до -4°С [4].

В районе ТЭЦ, по данным Н.И. Салтыкова [1], мощность вечномёрзлой толщи достигала 180-200 м, а температуры грунтов непосредственно на площади застройки на глубине 15 м до возведения сооружений изменялись от -3 до -5°С.

Территория ЯТЭЦ вокруг главного корпуса и ряда других служебных помещений частично асфальтирована и до глубины 1-4 м сложена насыпным грунтом из разнозернистых песков, реже суглинков с примесью щебня, гальки и шлака. Ниже повсеместно залегают аллювиальные отложения, представленные мелкозернистыми песками, 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.

Влажность песчаных грунтов преимущественно изменяется от 0,2 до 0,3 долей единицы (д.е.) а плотность их - от 1700 до 2040 кг/м3. В прослоях с большим количеством растительного детрита, а также в супесчано-суглинистых прослоях влажность возрастает до 0,4 д.е., иногда и до 0,6-0,7 д.е., а плотность их уменьшается до 1460-1500 кг/м3. Плотность частиц грунтов является достаточно стабильной величиной. Для песков и супесей она была равна 2640-2660, а для суглинков - 2690 кг/м3.

Грунты на площадке ЯТЭЦ незасоленные. Химический анализ водной вытяжки образцов, отобранных на таликовых участках, показал, что сумма минеральных веществ в них составляет всего 0,02-0,07%. Солевой состав талых и мёрзлых грунтов неоднороден. Водные вытяжки талых грунтов преимущественно хлоридно-

гидрокарбонатные натриевые, слабощелочные (рН = 7,4-7,7), а поровые растворы мёрзлых грунтов - гидрокарбонатные смешанные по составу катионов и более щелочные (рН = 7,5-9,0). Это обусловлено, по-видимому, криогенной метамор-физацией водных растворов.

За исключением участков локальных таликов отложения на территории ЯТЭЦ находятся в многолетнемёрзлом состоянии.

Результаты и их обсуждение

Годичный цикл ежемесячных измерений температуры грунтов в скважинах позволил получить достаточно представительные данные о термическом режиме грунтов на территории ЯТЭЦ. На большей части её сохранилось или было восстановлено мёрзлое состояние грунтов. Средняя годовая температура ММП изменялась от 0 до -3,6°С.

В интервале глубин 4-6 м, в пределах которых находятся основания фундаментных опор, наиболее низкие её значения (-2,0 ... -3,5°С) наблюдались вокруг северо-западной части главного корпуса, где не происходило никаких значительных нарушений мерзлотной обстановки (рис. 2, скв. 30, 39 и 9т).

- 6 - 5 -4 - 3 - 2 - с "С

□ / *

г □

1

□ \ 4 с

? \

о йк

□ X $

4

4

1 о

14

10 т 7т -*-9т -•-10т -30 -*-39 -в-44

Рис. 2. Средние годовые температуры ММП около главного корпуса (скв. 30, 39, 7т и 9т), зданий водогрейных котлов (скв. 10т) и химводоочистки (скв. 44)

Рис. 3. Средние годовые температуры ММП вблизи таликовых зон под зданиями (скв. 14 и 20т), около главного корпуса (скв. 32) и между зданиями водогрейных котлов и химводоочистки (скв.29)

Более высокие температуры ММП (-1,0 ... -1,9°С) на этих же глубинах были установлены около северо-восточной стены южной части главного корпуса в скв. 7 т и северо-западного угла здания химводоочистки в скв. 44 (рис. 2).

Наиболее сильно ММП растеплены вблизи таликовых зон под зданиями (скв. 14 и 20т), около юго-восточной стены главного корпуса (скв. 32) и на территории ЯТЭЦ между зданием водогрейных котлов и углекислотного цеха (скв. 29). В этих местах они изменяются от 0 до -1,5°С (рис.3).

Как уже было сказано выше, под зданиями и на прилегающих к ним участках образовались локальные таликовые зоны. Они захватили южный угол главного корпуса, северо-восточную часть здания водогрейных котлов и почти половину углекислотного цеха. Степень растепления этих участков различна, что напрямую зависит от источников тепловыделений.

Под южным углом главного корпуса и вокруг здания насосной станции, подземная часть которой заглублена на 12 м, грунты оттаяли на значительную глубину. Скважина 1т вскрыла таликовую

Рис. 4. Средние годовые температуры грунтов в таликах под

главным корпусом (скв. 1т), около круглой насосной (скв. 31), под зданием водогрейных котлов (скв. 16т), около него (скв. 8 и 36) и вблизи углекислотного цеха (скв. 11т)

зону до глубины 10,6 м. Последовавшие измерения температуры в ней показали, что мощность талика в этом месте превышает 15 м. Значительно глубже грунты оттаяли вокруг здания насосной станции. В июле 2005 г. при бурении скважины 31 было установлено, что талые грунты здесь простирались до глубины 23 м. Средняя годовая температура таликов под зданием на глубине 4 м изменялась от нуля до 6,0°С (рис.1), а вокруг здания круглой насосной станции в интервале 3-15 м - от 8,0 до 11,5°С (рис.4, скв. 1т и 31). Вероятнее всего, это обусловлено притоком тепла большой мощности, постоянным источником которого является отапливаемое заглубленное помещение круглой насосной.

Вторая таликовая зона находится под северовосточной частью здания водогрейных котлов на прилегающих к нему территориях, протягивается до углекислотного цеха и располагается под южной его половиной, вплоть до стыка с главным корпусом.

Под зданием водогрейных котлов мощность талика не установлена из-за малой глубины скважин (4 м), пробуренных перед началом строительства. А вокруг этой части здания в непосредственной близости от его стен во время бурения сква-

жин 34, 35 и 36 в августе 2005 г. она изменялась от 17,6 до 24,4 м. Средняя годовая температура грунтов в талике на глубине 4 м под зданием водогрейных котлов колебалась в диапазоне от нуля до 2,9°С (рис. 1), а на прилегающих к нему участках в интервале глубин 4-15 м - от 0,4 до 2,6°С.

Около юго-восточной стены здания водогрейных котлов, вблизи талика, при бурении в июле 1982 г. скважины 8 талые грунты были вскрыты на всю её глубину (15,3 м). Измерения их температуры в этой скважине показали, что к настоящему времени талик промёрз сверху до глубины 6 м (рис.1 и рис.4).

Под углекислотным цехом скважин нет, однако две (скв. 37 и скв. 11т), расположенные с двух его сторон в непосредственной близости от стен (рис.1), были пройдены в талых грунтах. При бурении скважины 37 в августе 2005 г. до глубины 19,5 м был вскрыт талик, температура которого в интервале 8-10 м в 2005-2006 гг. изменялась от 1,0 до 2,0°С. К сожалению, в июне 2006 г. эта скважина была уничтожена.

В скважине 11т мощность талика составляет около 12 м, а средняя годовая температура грунтов на глубинах от 4 до 11 м изменялась от 1,5 до 0,1°С (рис.4)

Точная причина формирования таликов под зданием водогрейных котлов и углекислотного цеха из-за короткого периода наблюдений не установлена. Вероятнее всего, это произошло вследствие утечек горячих производственных вод в грунты оснований.

Столь широкий диапазон изменения температур на очень ограниченной территории, конечно же, послужил главной причиной довольно большого различия глубин как сезонного протаивания (1,6 - 3,6 м), так и промерзания грунтов (2,2 - 4,2 м).

Сезонное протаивание грунтов обычно начинается в конце апреля - начале мая и достигает максимальной величины в конце сентября. Сезонно-талый слой (СТС) начинает промерзать в первой декаде октября. В зависимости от его мощности и температуры подстилающих много-летнемёрзлых пород полное промерзание СТС происходит от конца ноября до середины января. На самую небольшую глубину (1,6-1,9 м) грунты оттаяли вокруг северо-западной части главного корпуса (скв. 30, 39, 9т). По не установленной пока причине несколько большая (2,6 м) мощность СТС установлена в расположенной здесь скважине 38 (рис. 5).

Относительно большая мощность СТС для участков, расположенных около стен северной

Рис. 5. Динамика сезонного протаивания и промерзания

грунтов около главного корпуса (скв. 9т, 30, 38 и 39), здания водогрейных котлов (скв. 10 т), под ним (скв. 20 т) и около здания химводоочистки (скв. 44)

ориентации зданий химводоочистки и водогрейных котлов, а также под самим зданием водогрейных котлов, достигающая 2,7-3,1 м, обусловлена частичным их растеплением и близостью таликов (рис 5, скв. 44, 10т и 20т).

Ещё глубже грунты протаяли (до 2,9-3,1 м) вокруг восточного угла главного корпуса (скв. 32, 7т) и около юго-восточной стены здания водогрейных котлов (скв. 8). Вблизи талика под южной частью главного корпуса (скв. 14) и на открытой площадке между зданием водогрейных котлов и химводоочистки (скв. 29) мощность СТС возросла до 3,3-3,6 м.

Несмотря на существенное увеличение мощности деятельного слоя, на этих участках происходило полное промерзание СТС в более ранние сроки, а именно: от 22 ноября до 28 декабря 2008 г. (рис. 6).

1 апр 1 май 1 июн 1 иол 1 авг 31 авг 1 окг 31 окг 1дек

V *-

\ 4-5-

\ ч', \

\32 ^ > V

ч^!""——

л______

-29

м _

— 32 ■■■□■■ 7т —*— 8 —"--14 -»-29

Рис. 6. Динамика сезонного протаивания и промерзания грунтов около южной части главного корпуса (скв. 32 и 7 т), под ней (скв. 14), около здания водогрейных котлов (скв. 8) и между ним и зданием химводоочистки (скв. 29)

Сезонное промерзание грунтов на таликовых участках начинается в первой половине октября и достигает максимума в мае. Как и следовало ожидать, наименьшая мощность слоя сезонного промерзания (СМС) была около круглой насосной станции, где грунты растеплены почти до

11,5°С. К 1 января 2008 г. они промёрзли всего до глубины 2,2 м. В течение остальных зимних месяцев промерзание не только прекратилось, но и, наоборот, происходило существенное оттаивание грунтов снизу.

Вероятнее всего, это связано с увеличением тепловых потоков со стороны здания круглой насосной. В результате этого оттаивание СМС полностью завершилось уже к 23 мая, когда его мощность составляла 1,4 м (рис. 7, скв 31).

Вблизи северо-западной стены здания водогрейных котлов мощность СМС возрастаетдо 3,4 м. Грунты в этом месте полностью протаяли только к 5 августа, причём снизу всего на 0,4 м (рис.7, скв. 36).

1 яш 31 янв 2 мар 1 апр 2 май 1 ион 2 июп 1 авг 1 сен 1 окт 1 ноя 1 дек

\

ч

31 V« ч \

> л ч V- ъ.

___36 ---- ____ V

■•'Ve- 1т.. .....

16г

м ■■-.-1т----36 —■—31 16т

Рис. 7. Ход сезонного промерзания и протаивания таликов

вокруг здания круглой насосной станции (скв. 31), под главным корпусом (скв. 1 т), под зданием водогрейных котлов (скв. 16 т) и около него (скв. 36)

На самую большую глубину грунты промерзли в таликах под главным корпусом (скв. 1т) и под зданием водогрейных котлов (скв. 16т). В этих местах мощность СМС достигала 3,9-4,2 м. Оттаивание грунтов под ними продолжалось самое длительное время (почти в течение всего летнего периода). Полностью СМС протаял только во второй декаде августа, причём оттаивание снизу составило 0,7-0,8 м (рис. 7).

Заключение

Якутская ТЭЦ была возведена на территории распространения ММП мощностью 180-200 м [1] по принципу использования вечномёрзлых грунтов в качестве её основания. В процессе длительной эксплуатации зданий и сооружений в их основаниях и на прилегающих к ним участках образовались таликовые зоны мощностью от 12 до

25 м, а средняя годовая температура многолетне-мёрзлых пород в интервале глубин от 4 до 15 м повысилась до -1,6-0,1°С.

Дальнейшее распространение таликов может привести к существенному снижению несущей способности грунтов и вызвать деформации основания главного корпуса, его пристроев для водогрейных котлов и углекислотного цеха, а также здания химводоочистки. В настоящее время, несмотря на достаточно большой диапазон изменения температур грунтов в основании этих зданий и сооружений (от -3,5 до 11,5°С) и крайне неблагоприятную мерзлотную ситуацию, все они находятся в удовлетворительном состоянии. Вероятно, это обусловлено достаточно квалифицированными инженерными решениями, осуществлёнными при подготовке строительных площадок и возведении всего комплекса сооружений, а также в процессе их эксплуатации. Хотя в последнее время началось постепенное промерзание таликов сверху, тем не менее высока вероятность возникновения критической ситуации. Поэтому необходим постоянный контроль температурного режима грунтов для оценки направленности изменения температурного режима грунтов и размеров таликовых участков в основании всех сооружений.

Литература

1. Цытович Н.А., Салтыков Н.И., Жуков В.Ф. и Мельников П.И. Фундаменты электростанции на вечной мерзлоте (опыт проектирования, возведения и эксплуатации Якутской центральной электростанции по принципу сохранения вечной мерзлоты). - М.;Л.: Изд-во АН СССР, 1947. - 104 с.

2. Гапеев С.И. Опыт использования охлаждающих установок в районах распространения вечной мерзлоты // Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО АН СССР, 1983.

- С. 41-58.

3. Балобаев В.Т., Володько Б.В., Девяткин В.Н., Левченко А.И. Руководство по градуировке терморезисторов и использованию их при геотермических измерениях. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО АН СССР, 1977.

- 39 с.

4. БалобаевВ.Т. Геотермия мерзлой зоны литосферы севера Азии. - Новосибирск: Наука, 1991. - 194 с.