ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В УСЛОВИЯХ ЗАПОЛЯРНОГО ГНКМ В СВЯЗИ С ЕГО ОБУСТРОЙСТВОМ И ВОЗМОЖНЫМ ГЛОБАЛЬНЫМ ПОТЕПЛЕНИЕМ КЛИМАТА
А.В. Рязанов
Заполярное газонефтеконденсатное месторождение (ГНКМ) находится на севере Западно-Сибирской низменности, за Полярным Кругом, между г. Уренгой и пос. Тазовский. Среднегодовая температура воздуха здесь составляет порядка –8,5°С. Участок исследования – площадка промбазы Заполярного ГНКМ сложена казанцевскими верхнеплейстоценовыми морскими-прибрежноморскими отложениями. Большей частью породы представлены суглинками с прослоями глин, супесей и песков различной крупности. Местами верхнеплейстоценовые отложения перекрываются комплексом современных биогенных образований – торфом. В геокриологическом отношении в равной степени встречаются участки распространения многолетнемерзлых пород (ММП) как сливающегося типа, так и несливающегося. Среднегодовые температуры пород на участках ММП сливающегося типа изменяются в интервале от –0,6 до -2,6°С. Участки ММП несливающегося типа характеризуются значениями среднегодовых температур пород от 0 до –0,5°С. Глубина залегания кровли ММП может составлять 3,8-9,5 м. Глубина сезонномерзлого (сезонноталого) слоя (СМС(СТС)) в различных условиях колеблется от 0,6-0,8 до 1,5-2,0 м. В верхней части разреза, приблизительно до глубины 5-6 м ММП представлены в широком диапазоне льдистости за счет включений шлиров льда – от 0,1 до 0,5. Причем на отдельных участках ниже подошвы СТС залегают ледогрунты мощностью 0,5-3,0 м, льдистость которых превышает 0,6. Влажность (весовая) грунтов талой части в пределах участков ММП несливающегося типа составляет от 25-38 до 64%.
В ходе строительных работ на территории промбазы была возведена насыпь высотой 1-3 м и более в зависимости от особенностей рельефа. По высоте созданной насыпи выделены участки трех типов. В их пределах средняя высота насыпи составляет 1.4, 2.1 и 3.3 м. Отсыпка площадки производилась в зимне-весенний период непучинистым грунтом – мелким песком. Строительство инженерных сооружений в соответствии с проектом ведется по I принципу строительства на вечномерзлых грунтах с использованием свайных фундаментов и устройством проветриваемых подполий.
Таким образом грунты площадки по температурному режиму характеризуются как неустойчивые. Ситуация осложняется большой льдистостью пород в верхней части разреза мерзлой толщи и высокой влажностью грунтов талой части на участках с заглубленной кровлей ММП. Это обуславливает потенциальную опасность развития тепловых осадок и морозного пучения в грунтах осваиваемой территории. В связи с чем институтом “Фундаментпроект” была разработана программа инженерно-геокриологического мониторинга объектов строительства. Однако, непродолжительность наблюдений (1,5-2 года), выполненных в неполном объеме (приблизительно на 40% от планируемого) из-за недостатка финансирования не позволяют дать оценку изменения мерзлотной обстановки в ближайшем будущем под влиянием различных техногенных факторов для участков с различными инженерно-геокриологическими условиями. Поэтому был составлен прогноз изменения геокриологических условий сроком на 25 лет. Расчет производился при помощи компьютерной программы “STATEM”, разработанной в ГПИИ”Фундаментпроект” на основе разностного метода решения многофронтовых задач типа Стефана по неявной разностной схеме со сглаживанием коэффициентов.
Моделировались следующие типичные для исследуемой площадки изменения в ходе строительства условия на поверхности:
Оба варианта были рассмотрены в условиях формирования снежного покрова различной высоты. С учетом данных мониторинга высота снежного покрова принималась равной 0.4, 1.0 и 1.7 м. Кроме того, в расчете моделировалось вероятное глобальное потепление климата с градиентом повышения среднегодовой температуры воздуха на 0,03°С в год. Потепление было задано путем повышения среднемесячных температур воздуха за зимний период.
Анализ данных расчета показал, что на участках распространения ММП несливающегося типа с глубиной залегания кровли менее 4,8-5,7 м (в зависимости от влажности грунтов талой части), в процессе освоения территории на 4-6 год существования насыпи при высоте снежного покрова не более 0,4 м, вне сооружений, происходит смыкание кровли мерзлых пород с подошвой сезонномерзлого слоя. Так в варианте, где грунты талой части представлены суглинком с влажностью 35%, а глубина залегания кровли ММП составляет 4,8 м, промерзание грунтов талой части наблюдается уже на 4 год с момента возведения насыпи (рис.1). К моменту смыкания кровли ММП и подошвы СМС среднегодовая температура пород понизится на 0,1°С и составит –0,5°С, а к концу 25-летнего периода –1,1°С.
В тех случаях, когда в естественных условиях глубина залегания кровли ММП превышает указанные 4,8-5,7 м, инженерно-геокриологическая ситуация в течение 25-летнего периода практически не изменяетс. На рис. 2 приведен вариант расчета для участка, талая часть которого, также как и в предыдущем случае, представлена суглинком с влажностью 35%. В естественных условиях здесь характерно залегание кровли ММП на глубине 6,4 м, глубина СМС 0,8 м. Температура на глубине 10 м составляет –0,3°С. Через 25 лет с момента возведения насыпи понижение кровли ММП относительно поверхности естественных грунтов составит 0,3 м. Среднегодовая температура грунтов за этот период повысится на 0,1°С.
На участках исследуемой площадки, где распространены ММП сливающегося типа изменения геокриологической обстановки выражены более ярко. Практически на всех участках, где высота снежного покрова превышает 1,0 м в уже в первые годы начинается многолетнее оттаивание мерзлой толщи. Более или менее стабильными являются ММП в пределах территории с высотой снежного покрова 0,4 м. В их пределах мерзлотная обстановка на конец 25-летнего периода соответствует ситуации при начальных условиях. Однако, исследование температурного режима пород в течение 25-летнего периода показали, что на самом деле геокриологическая ситуация стабильной не является. Так, можно выделить первый временной интервал, продолжительностью 8-17 лет, который характеризуется понижением среднегодовых темпертаур пород на величину 0,1-0,5°С под влиянием изменеия условий на поверхности застраиваемой территории. После этого отмечается повышение среднегодовых температур на 0,2-0,6°С. Последнее объясняется тем, что в этот период начинает сказываться потепление климата.
Следует отметить, что более инертными к техногенному преобразованию условий на поверхности являются участки, представленные ММП несливающегося типа.
Таким образом можно сделать вывод, что, во-первых, при одних и тех же условиях на поверхности, формирующихся в ходе строительных работ, в пределах различных участков происходят не одинаковые по своей направленности изменения геокриологической ситуации. Отмечается образование ММП сливающегося типа на участках с залеганием кровли ММП на глубине до 4,8-5,7 м и ее погружение при более глубоком залегании мерзлых пород. При этом на участках распространения ММП сливающегося типа отмечается повышение среднегодовых температур пород, наиболее интенсивно отмечающееся в местах, где грунты насыпи подстилаются торфом.
Во-вторых, изменения мерзлотной обстановки в связи с глобальным потеплением климата наиболее четко начинают прослеживаться по истечении 8-17 лет с начала проведения строительных работ и могут обусловить новое формирование участков с несливающимся типом многолетнемерзлой толщи.
