CC BY
15
УДК 624.131.3
Д.М.ШЕСТЕРНЕВ
Читинская лаборатория инженерной геокриологии ИМЗ СО РАН
ВЛИЯНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ДЕФОРМАЦИИ ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНЫХ ПОЛОС С ТВЕРДЫМ ПОКРЫТИЕМ В ЦЕНТРАЛЬНОМ ЗАБАЙКАЛЬЕ
Показано отрицательное влияние обводнения и деградации криолитозоны на изменение инженерно-геологической обстановки исследуемой территории и эксплуатацию линейных сооружений. Рассмотрены причины, вызвавшие возросшую активность комплекса ин-женерно-геологических и геокриологических процессов и явлений. Предложены мероприятия и способы устранения недопустимых деформаций линейных сооружений.
A negative influence of irrigation of water and degradation of cryolithozone on the change of geological engineering conditions within the investigated territory and exploitation of linear structures is described in this paper. Some reasons caused increased activity of the complex of geological - engineering and geocryological processes and phenomena are considered herein too. Some actions and ways to remove inadmissible deformations of linear structures are offered.
Строительство и эксплуатация линейных сооружений в Забайкалье, включая и взлетно-посадочные полосы аэродромов (ВПП), оказывает существенное влияние на природные условия. В первую очередь это относится к нарушению водно-теплового режима, развитию ряда нежелательных инженерно-геологических процессов и явлений, отрицательно сказывающихся на устойчивости ВПП. Кроме того, строительство малых гидротехнических сооружений (гид-розолоотовалов - ГЗО, прудов-отстойников и т.п.) в зоне возможного взаимодействия техногенных и подземных вод и грунтов оснований приводит, как правило, к развитию деформаций ВПП, что и произошло в районе одного из аэропортов Забайкалья. Для установления динамики деформаций и установления их причин в конце прошлого столетия в течение года нами были выполнены стационарные инженерно-геокриологические и гидрогеологические исследования.
Район работ в геоструктурном отношении расположен в пределах Читино-Ингодинской межгорной впадины грабен-синклинального типа. В поперечном сечении впадины выделяются несколько синклинальных и антиклинальных структур. Погружению шарниров этих структур соответ-
110 -
ствует ряд пологих брахисинклиналей. На северо-восточном крыле одной из них (Чер-новской мульде) находился исследуемый участок ВПП. В его основании залегают элювиальные и аллювиальные верхнеплейстоценовые и аллювиальные голоценовые отложения.
Для определения причин, вызывающих деформации ВПП, был оборудован стационар на аварийном участке ВПП и близлежащей к нему территории, включая мощный техногенный теплоисточник ГЗО, расположенный на более высоких абсолютных отметках местности в 5-6 км от ВПП. Основу стационара составляли пучиномерные площадки на периферии ВПП и пучиномер-ный полигон на поверхности бетонного покрытия ВПП. Наблюдения за изменением деформации ВПП (нивелирная съемка) выполнялись один раз в декаду, превышения отсчитывались по отношению к пункту государственной геодезической сети. Синхронно с этими работами выполнялись наблюдения за уровнем и расходом подземных вод по профилю гидрогеологических скважин от ГЗО до ВПП. Детализация инженер-но-геологического разреза и геокриологических условий осуществлялась в ходе проходки скважин и шурфов, динамика темпе-
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.153
ратур пород, глубин и скорости их промерзания устанавливалась по результатам соответствующих наблюдений в специально оборудованных термопунктах.
Выполненные исследования показали, что в геокриологическом отношении до начала строительства аэропорта в 60-е годы на исследуемом участке в основании ВПП залегали многолетнемерзлые породы (ММП) сплошного распространения сливающегося типа. Кровля ММП залегала на глубине 2,8-4,0 м и большей частью совпадала с кровлей элювия. Подошва ММП располагалась на глубине 15-22 м. Среднегодовые температуры на глубине колебаний их годовых нулевых амплитуд изменялись в диапазоне -0,3 - -0,7 °С. В интервале 400-500 м от северного края ВПП существовал талик гидрогенного типа напорно-фильтрацион-ного класса, в пределах которого происходила разгрузка подземных вод глубокой циркуляции. Постоянный сброс высокотемпературных техногенных вод в ГЗО обусловил в границах расширяющегося талика устойчивое тепловое и химическое загрязнение подземных вод.
В гидрогеологическом отношении на участке исследований развиты водоносный горизонт аллювиальных отложений и водоносный комплекс нижнемеловых отложений, включающий воды элювия. Гидрогеологические условия осложнены наличием субмеридиально ориентированного к сооружению разлома и приуроченного к нему сквозного талика, по которому происходит разгрузка подземных вод в вышележащие горизонты пород и на дневную поверхность. После 5-6 лет от начала эксплуатации ГЗО (с середины 70-х годов), оборудованного в котловине, в днище которого залегали ММП, на изучаемом участке ВПП разгрузка подземных вод резко интенсифицировалась. Это объясняется трансформацией несквозного талика в сквозной, что и обусловило появление дополнительного водопритока вод ГЗО через полунепроницаемый экран оттаявших донных супесчано-суглинистых отложений. Последнее подтвердилось наличием несмы кающейся линии пьезометрического уровня подземных вод нижнемелового
комплекса с поверхностью воды в ГЗО, установленной сотрудниками ПГО «Читагео-логия». Наши наблюдения показали, что периодическое повышение зеркала вод ГЗО приводит к практически синхронному увеличению самоизлива подземных вод в скважинах на летном поле. О влиянии вод ГЗО на заболачивание летного поля свидетельствовало также и то, что при вводе в строй во-допонизительных скважин с августа по сентябрь самоизлив в скважинах, расположенных за пределом разлома, прекращался. В то же время в скважинах, расположенных в зоне разлома, это не происходило.
Локальные изменения природных условий в районе исследований обеспечили изменения температур ММП и привели к образованию ММП несливающегося типа, обусловили частичную их деградацию. В свою очередь различие глубин проникновения энергоциклов в горные породы и степени воздействия криогипергенеза (криогенного выветривания), селективный характер обводненности, обусловленный различием состава элювиальных образований, привели к формированию зональности осадок ВПП. Как правило, области повышенных осадок ВПП были приурочены к участкам с максимальными мощностями элювия, представленного дресвяно-щебенистыми пылевато-песчаными тиксотропными грунтами, минимальные значения осадок ВПП отмечалось на участках, сложенных элювием алевролитов, выветрелых до суглинков твердой консистенции.
Переход элювия в талое состояние при деградации ММП вызвал его повышенную обводненность и привел к тому, что при наличии динамических нагрузок, испытываемых ВПП при взлете и посадке самолетов, потенциально тиксотропные фунты перешли в категорию тиксостропных грунтов песчано-коллоидного типа. Общим свойством грунтов этого типа являлась зависимость степени нарушения структурной прочности от интенсивности и продолжительности динамических нагрузок. При этом скорость разрушения структуры грунтов увеличивалась с увеличением амплитуд колебаний динамической нагрузки, значи-
_ 111
Санкт-Петербург. 2003
тельно меньшее влияние оказывало изменение ее частоты.
Деформации ВПП и ее периферии в ходе годового цикла промерзания и протаива-ния грунтов оснований совпадали по направлению - положительному (пучение) или отрицательному (осадки), но значительно отличались по значениям. Особенно это наблюдалось в интервале 200-500 м, где интенсивность динамических нагрузок на бетонное покрытие ВПП наиболее высокая. Несовпадения по знаку деформаций в течение августа и сентября (обнаруженные во время текущего ремонта ВПП и отсутствии динамических нагрузок) объясняются, вероятно, восстановлением структурных связей в тиксотропных грунтах основания ВПП. После завершения работ в сентябре и октябре осадки ВПП были менее значительны и не достигали ранее установленных характеристик, что, по-видимому, обусловлено снижением обводненности грунтов после ввода водопонизительных скважин.
Влияние тиксотропии на деформации ВПП наиболее четко прослеживалось в периоды максимального обводнения грунтов основания в июне, июле и в октябре, ноябре. Это подтверждалось прогрессирующими значениями осадок ВПП и грунтов на расстоянии до 10м от ее края. В конце июля, когда разрушения структуры тиксотропного грунта достигали максимальных величин, на
пучиномерных площадках деформации осадок замедлялись и приобретали обратный характер. Это свидетельствовало о выдавливании тиксотропного грунта по периферии ВПП, осадки которой продолжались. В июле и августе эксплуатация ВПП была приостановлена. В этот период деформации бетонного покрытия и полосы грунта на ее периферии сменили свой знак.
Таким образом, было установлено следующее:
• развитие комплекса инженерно-геологических и геокриологических процессов, отрицательно влияющих на эксплуатационные характеристики ВПП, в районе исследований обусловлено непродуманным размещением ГЗО;
• грунты криогенного элювия при деградации ММП становятся потенциально тиксотропными, а при дополнительном их обводнении и воздействии динамических нагрузок - тиксотропными.
Для ликвидации деформаций ВПП был рекомендован комплекс мероприятий по обезвоживанию грунтов оснований, замене тиксотропных и потенциально тиксотропных на крупноскелетные морозостойкие грунты. Реализация рекомендованных мероприятий позволила устранить основные причины деформаций ВПП, вывести ВПП из аварийного состояния и обеспечить высокую эффективность ее дальнейшей эксплуатации.
112 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.153
