ДИНАМИКА ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА УЧАСТКАХ ОБУСТРОЙСТВА ЗАПОЛЯРНОГО ГНКМ
Рязанов А.В.
Краткая характеристика природных условий
Заполярное газонефтеконденсатное месторождение находится на севере Западной Сибири в пределах Пур-Тазовского междуречья. Климат района резкоконтинентальный. На севере территории (пос. Тазовский) среднегодовая температура воздуха составляет –9,4°С, на юге (пос. Уренгой) - –7,8°С. Амплитуда среднемесячных температур превышает 40°С. Территория Промбазы Заполярного ГНКМ, в пределах которой находятся наблюдаемые объекты (три общежития вахтового жилого комплекса), располагается в южной части месторождения, относящейся к IV казанцевской прибрежно-морской равнине. Поверхность участка пологонаклонная, расчлененная сетью ложбин стока и логов. Верхнеплейстоценовые отложения казанцевской свиты залегают с размывом на породах салехардской свиты. По данным инженерно-геокриологических изысканий, проведенных в период с марта по июнь 1996 г, грунты на участке расположения трех общежитий на глубину 15 м представлены суглинками с прослоями мелких и пылеватых песков, супесей, реже – глин. Мощность прослоев колеблется от десятых долей до первых метров. На отдельных участках (термоскважины 8 и 12) суглинки перекрыты слоем торфов мощностью до 0,6 м, подстилаемых линзами ледогрунтов толщиной до 0,6 м. На большей части территории распространены многолетнемерзлые породы сливающегося типа. Наличие ММП несливающегося типа установлено на участке расположения термоскважин (ТС) 2 и 9. Глубина погружения кровли ММП составляет 3,4 м. Талые грунты находятся в мягкопластичном состоянии (естественная весовая влажность (Wе) составляет 26-33 %). Льдистость пород изменяется в широких пределах - от 0,07 до 0,46. Мощность СМС(СТС) изменяется от 0,8 до 1,6 м. Среднегодовая температура пород на участках расположения общежитий колеблется в пределах –0,5…-0,9°С.
Организация инженерно-геокриологического мониторинга
С целью обеспечения эксплуатационной надежности инженерных сооружений и сохранности окружающей среды Заполярного ГНКМ институтом “Фундаментпроект” была разработана программа инженерно-геокриологического мониторинга. В соответствии с ней были предусмотрены контроль за температурным и гидрогеологическим режимами грунтов оснований; наблюдения за деформациями сооружений и поверхности насыпи на прилегающей территории; а также сбор информации, касающейся изменений условий на поверхности осваиваемой территории в ходе строительных работ и эксплуатации сооружений. Проект мониторинга предполагал устройство термометрических и гидрогеологических скважин, стенных марок (для наблюдения за деформациями сооружений), грунтовых марок (для наблюдений за деформациями поверхности прилегающей территории) и глубинных реперов. В настоящей работе рассматриваются результаты температурных наблюдений на участке расположения трех общежитий вахтового жилого комплекса (ВЖК), где заложено 12 термоскважин. Термометрические скважины оборудовались в контурах сооружений в пределах выделенных по данным инженерно-геокриологических изысканий участков. Глубина термоскважин составляет не менее 10 м. Измерения температуры производились через каждый метр по глубине. В зимний период проводились измерения высоты снежного покрова у термоскважин. Инструментальные наблюдения за деформациями в связи с консервацией строительства зданий общежитий не производились. Температуры измерялись ежеквартально.
Изменения условий в процессе проведения строительных работ
Работы по удалению снежного и растительного покровов, а также отсыпка территории площадки ВЖК мелким песком до высоты 2,2 м были произведены в период с марта по май 1997 г. В ноябре – декабре 1997 г. на участках общежитий были забиты сваи. После забивки свай дальнейшие строительные работы были остановлены.
Все объекты возводятся по I принципу строительства на многолетнемерзлых породах (СНиП 2.02.04-88).
В январе 1998 г. грунты основания общежитий №№ 1 и 2 по контуру свайного поля были оборудованы охлаждающими установками типа СПМГ, установленными с шагом 3,0м. При этом на участке общежития №1 СПМГ охватывают только половину контура, характеризуемую ТС. 4, 5 и 6. Общежитие №3 охлаждающими установками не оборудовано.
Стабилизатор пластично-мерзлых грунтов (СПМГ) – сезоннодействующая охлаждающая установка закрытого типа с коэффициентом теплообмена для условий района Заполярного ГНКМ, равным 15-20 ккал/м2 * час * град. Часть установки, погружаемая в грунт (испаритель), имеет длину около 7 м. Часть установки, остающаяся на поверхности (конденсатор) имеет длину 1 м.
В зимний период в пределах свайных полей происходит неравномерное перераспределение снега. В итоге по данным наблюдений в апреле-мае 1999г. на некоторых участки происходит формирование снежного покрова значительной мощности, что затрудняет, а порой полностью останавливает работу СПМГ. Так на участках общежитий на 60-70% площади свайных полей высота снега составляет 0,8-1,5 м. Наибольшее скопление снега приурочено к центральным частям участков. На прилегающей к сооружениям территории вследствие складирования стройматериалов высота снежного покрова составляет 0,7-1,1м. На открытых, обдуваемых ветром участках высота снежного покрова не превышает 0,3-0,4 м.
Результаты температурных наблюдений в грунтах оснований сооружений в ходе проведения инженерно-геокриологического мониторинга
Первые температурные наблюдения на исследуемых объектах были произведены в ТС. 1 (общежитие № 3) и ТС. 2 (общежитие № 2) в августе 1997 г., то есть через 6 месяцев с начала строительства (табл.1). Измерения температур в этих термоскважинах показали, что за период с начала освоения территории до момента первых замеров температур пород произошли некоторые изменения в сторону повышения их среднегодовых значений. Повышение за данный период составило 0,2-0,4°С. По прошествии годового периода (замеры на март 1998г) температуры грунтов на глубине 10м по данным большинства термоскважин (ТС. 2, 4-8, 11 и 12) превысили свои естественные значения на 0,1-0,3°С. В ТС. 3 и 9 температура наоборот понизилась на 0,1°С. В ТС.10 понижение составило 0,5°С. Таким образом в пределах исследуемого участка температура на глубине 10м находилась в интервале –0,4…-0,6°С. Последующие наблюдения показывают, что на второй год существования насыпи произошло понижение среднегодовых температур пород. По состоянию на май 1999 г. в тех скважинах, в которых удалось произвести измерения (ТС. 3, 4 и 8) понижение среднегодовых температур пород составляет 0,3-0,6°С относительно их естественных значений. Высота снежного покрова у этих скважин равна 0,4-0,6м. Температурный режим пород характеризуемых ТС. 5, в пределах которой мощность отложений снега составила 0,9 м, в течение этих двух лет практически не изменился. По данным этих термоскважин среденегодовые температуры пород на участках с высотой снежного покрова в пределах 0,4-0,9м изменяются от –0,5 до –1,3°С. На участках, где высота снежного покрова превышала 0,9 м, измерение температур пород в термоскважинах произвести не удалось. На участке распространения ММП несливающегося типа (ТС. 2 и 9) в течение первых двух лет с момента возведения насыпи отмечено промерзание грунтов талого слоя.
Прогноз температурного режима грунтов и оценка развития вероятных геокриологических процессов
В связи тем, что в настоящее время работы по инженерно-геокриологическому мониторингу объектов не ведутся, был предпринят прогнозный расчет изменения температурного режима пород в основаниях трех общежитий сроком на 10 лет. Расчет производился с помощью разработанной в ГПИИ ”Фундаментпроект” компьютерной программы “STATEM”.
Моделировались две возможные ситуации. Первая предполагала, что в течение следующих десяти лет обстановка на поверхности застраиваемой территории по сравнению с 1999 г существенным образом не изменится. То есть строительство вестись не будет, высота снежного покрова на участках расположения свайных полей общежитий будет составлять в среднем 1,0м. Во второй ситуации предполагалось возведение сооружений с устройством проветриваемых подполий и регулярной расчисткой снега на участках застройки. При этом считалось, что высота снежного покрова не превысит 0,4 м. Начальные грунтовые условия принималась на основании данных мониторинга за октябрь 1998 г (рис.1).
Расчеты показали, что в первом случае в связи с отепляющим воздействием снега в пределах участков, где естественные грунты представлены только суглинками, уже на второй год начинается процесс многолетнего оттаивания мерзлых пород. На 10-й год ММП несливающегося типа имеют повсеместное распространение. На участках, разрез которых ниже слоя насыпных грунтов представлен торфами, ледогрунтами и суглинками глубина залегания кровли ММП составляет 2,7м. При этом среднегодовая температура пород повышается на 0,2°С и составляет для ТС. 8 и 12 соответственно –1,1 и –0,9°С. На участках, сложенных ниже подошвы насыпи только суглинками повышение температур пород будет происходить несколько интенсивнее. В пределах ТС. 3 оно составит 0,6°С, на участках других термоскважин – 0,3-0,4°С. Кровля ММП здесь опустится до глубин 5,5-6,1м. Значения среднегодовых температур пород будут составлять –0,3…-0,5°С, у ТС. 3 до –0,8°С (рис.2).
В случае с возведенным сооружением и высотой снега до 0,4 м ожидается обратная картина – понижение среднегодовых температур пород на величину от 0,4°С (на участках с изначально относительно низкими среднегодовыми температурами пород – ТС. 3, 8 и 12) до 0,6-0,8°С (на участках с относительно высокими значениями среднегодовых температур пород). Таким образом, в пределах исследуемых участков расположения общежитий в контурах сооружений среднегодовая температура пород будет изменяться в интервале от –1,3 до –1,8°С (рис.3). Вместе с тем, за пределами сооружений будет происходить как повышение среднегодовых температур пород (на 0,3°С для участков с подстилающим насыпь торфом), так и их понижение (на 0,2-0,3°С для участков без торфа).
Из приведенных расчетов видно, что те или иные изменения условий на поверхности в ходе строительства могут привести как к развитию многолетнего оттаивания, так и к понижению температур грунтов. В связи с этим можно сделать вывод, что при консервации строительства трех общежитий следует ожидать изменения геокриологической ситуации грунтов оснований в сторону ухудшения (снижается несущая способность грунтов). Кроме того, на участках с неглубоким залеганием ледогрунтов и грунтов с повышенными значениями льдистости возникает опасность развития термокарста.
Таблица 1. Данные наблюдений, собранные в ходе инженерно-геокриологических изысканий и мониторинга.
Рисунок 1. Схема участков с различными среднегодовыми температурами пород на исследуемой территории ВЖК по данным мониторинга на октябрь 1998г.
Рисунок 2. Схема участков с различными среднегодовыми температурами пород на исследуемой территории ВЖК по данным прогноза (высота снега 1,0м, сооружение не возведено).
Рисунок 3. Схема участков с различными среднегодовыми температурами пород на исследуемой территории ВЖК по данным прогноза (высота снега 0,4м, сооружение возведено).