Оглавление
1
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
Г. И. Кузнецов, Н. В. Крук
ИНЖЕНЕРНОЕ
МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие
Красноярск
СФУ
2019

Оглавление
2
УДК 624.139:541.34(07)
ББК 26.328.7я73
К891
Рецензенты:
Д. А. Озерский, кандидат технических наук, заместитель директора
АО «МОНИТЕК»;
В. Ф . Кошкин, кандидат геолого-минералогических наук, главный
геолог ОАО «Красноярскгеология»
Кузнецов, Г. И.
К891
Инженерное мерзлотоведение : учеб. пособие / Г. И. Кузнецов,
Н. В . Крук.  К расноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019.  140 с.
ISBN 978-5-7638-4016-2
Рассмотрены вопросы, существенно важные для обоснования техносфер-
ной безопасности и защиты окружающей среды при строительстве и эксплуата-
ции объектов инфраструктуры в районах Крайнего Севера – гражданских, про-
мышленных и гидротехнических сооружений.
Предназначено для студентов направления подготовки «Техносферная
безопасность».
Электронный вариант издания см.:
http://catalog.sfu-kras.ru
УДК 624.139:551.34(07)
ББК 26.328.7я73
ISBN 978-5-7638-4016-2
© Сибирский федеральный
университет, 2019

Оглавление
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5
Г л а в а 1. ВЕЧНОМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ. ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ О КРИОЛИТОЗОНЕ............................................... 6
1.1. Распространение вечномерзлых грунтов ............................ 6
1.2. Температура и мощность массива
вечномерзлых грунтов.......................................................... 9
1.3. Мерзлотно-геологические процессы и явления ............... 10
Г л а в а 2. СОСТАВ И СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ,
ОТТАИВАЮЩИХ И ТАЛЫХ ГРУНТОВ ............................ 22
2.1. Состав и классификация грунтов ....................................... 22
2.2. Физические и теплофизические свойства грунтов ........... 27
2.2.1. Физические свойства грунта, определяемые
опытным путем ........................................................ 28
2.2.2. Физические свойства грунта, вычисляемые
по формулам ............................................................. 28
2.3. Теплофизические свойства грунта ..................................... 31
2.4. Механические свойства грунтов ........................................ 33
Г л а в а 3. СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ В КРИОЛИТОЗОНЕ............................... 36
3.1. Охлаждение и предварительное оттаивание
вечномерзлых грунтов........................................................ 36
3.2. Глубинное охлаждение и замораживание грунтов .......... 46
3.3. Расчет глубинного охлаждения (замораживания)
грунта .................................................................................... 55
Г л а в а 4. НАРУЖНЫЕ И САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СЕТИ
И МАГИСТРАЛЬНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ............................ 59
4.1. Способы прокладки сетей ................................................... 59
4.2. Способы прокладки магистральных трубопроводов ....... 63

Оглавление
4
Г л а в а 5. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
В КРИОЛИТОЗОНЕ .................................................................. 73
5.1. Общие вопросы проектирования ....................................... 73
5.2. Выбор типа плотины. Компоновка гидроузла .................. 75
5.3. Плотины мерзлого типа (принцип 1) ................................. 77
5.4. Талые плотины (принцип 2) ............................................... 82
5.5. Водосбросные сооружения ................................................. 89
Г л а в а 6. НАКОПИТЕЛИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ
В ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ ............................................. 91
6.1. Общие сведения ................................................................... 91
6.2. Эксплуатация и натурные исследования
накопителей ......................................................................... 92
Г л а в а 7. ПРИРОДООХРАННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
ПРИ КОМПЛЕКСНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ
НАРУШЕНИЯХ ПОВЕРХНОСТИ ........................................ 110
7.1. Общие сведения ................................................................. 110
7.2. Меры защиты многолетнемерзлых грунтов
от оттаивания...................................................................... 113
Г л а в а 8. РАСЧЕТЫ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА
ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ И ОСНОВАНИЯ ............. 118
8.1. Основные положения и вводные понятия ...................... 118
8.2. Прогноз оттаивания вечной мерзлоты
водохранилища под дном.................................................. 120
8.3. Предельное температурное состояние
ложа водохранилища (основания промбассейна) .......... 123
8.4. Динамика оттаивания берегового склона
после заполнения водохранилища ................................... 125
8.5. Теплотехнический расчет мерзлотной завесы
в земляной плотине (дамбе промбассейна) .................... 128
8.6. Расчет глубины сезонного оттаивания
и промерзания грунта ........................................................ 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 135
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................. 136
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................... 137

Введение
5
ВВЕДЕНИЕ
В пособие включены вопросы, существенно важные для обоснования
техносферной безопасности и защиты окружающей среды при строитель-
стве и эксплуатации объектов инфраструктуры в районах Крайнего Севера –
гражданских, промышленных и гидротехнических сооружений. К таким
объектам, оказывающим наиболее опасное воздействие на вечную мерзлоту,
вплоть до ее катастрофического разрушения, относятся:
● плотины, водохранилища и другие искусственные водоемы [4];
● нефте- и газопроводы;
● различные тепловыделяющие здания и сооружения;
● комплексные воздействия при интенсивном освоении северных
территорий.
Вопросы техносферной безопасности накопителей различных отхо-
дов рассмотрены в других учебных пособиях, вышедших в свет в СФУ
(Кузнецов Г. И., Балацкая Н. В ., Озерский Д. А. Накопители промышлен-
ных отходов: учеб. пособие.  К расноярск: Сиб. федер. ун-т, 2008; Кузне-
цов Г. И., Балацкая Н. В ., Гончаров Ю. М . Основы природоохранной гид-
ротехники: учеб. пособие. – К расноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011.).
Вопросы, относящиеся к горнопромышленной сфере, устройству
дорог, проектированию оснований и фундаментов на Крайнем Севере, тре-
буют отдельного рассмотрения; в дальнейшем предполагается выпуск дру-
гих учебных пособий, развивающих арктическую и мерзлотную тематику.
Для самостоятельного изучения рекомендуются также и другие ис-
точники (Интернет, научно-техническая периодика, труды конференций,
описания патентов и т. п.).

Г л а в а 1. Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне
6
Глава1
ВЕЧНОМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ. ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ О КРИОЛИТОЗОНЕ
1.1. Распространение вечномерзлых грунтов
Вечномерзлыми грунтами (ВМГ) называются горные породы, нахо-
дящиеся при отрицательной температуре и содержащие в своем составе
лед. Они занимают порядка 25 % территории всей суши и 65 % в России.
По характеру распространения этих грунтов по площади можно выделить
четыре области:
1) сплошного распространения вечномерзлых грунтов (мерзлые по-
роды занимают более 95 % площади), их температура Т0 ниже – 3 oС;
2) преимущественно сплошного распространения (90–95 % площади
Т0=–0,2... – 2oС);
3) прерывистого распространения (75–90 %, Т0 = – 0,2 ... – 2 oС);
4) массивно-островного распространения (менее 25 %, Т0 > – 0,5 oС).
Карта распространения вечномерзлых пород на территории России
приведена на рис. 1 .1. Границы между областями в пределах криолитозоны
весьма условны. В целом распространение мерзлых толщин подчиняется
широтной и высотной зональности: их количество возрастает, и температура
понижается с юга на север и снизу вверх.
При общих закономерностях возможны зональные отличия, обуслов-
ленные местными условиями теплообмена в системе литосфера – атмосфера.
Наибольшим разнообразием характеризуется территория, прилегающая
к южной границе вечномерзлых грунтов. В криолитозоне мерзлые породы
могут отсутствовать на участках речных долин, под реками, озерами и во-
дохранилищами, под наиболее прогреваемыми солнцем горными склонами
и водоразделами, в местах концентрированной разгрузки подземных вод
или площадках их инфильтрационного питания, под частью современных
ледников, над геотермическими аномалиями, связанными с вулканическими
и другими процессами.
По строению мерзлых толщ по вертикали выделяют три возможных
типа:
1) вечномерзлые толщи сливающегося типа (кровля ВМГ совпадает
с подошвой слоя сезонного оттаивания);

1.1 . Распространение вечномерзлых грунтов
7
2) вечномерзлые толщи несливающегося типа (кровля ВМГ не сов-
падает с подошвой слоя сезонного промерзания, между ними находится
талый слой);
3) вечномерзлые толщи слоистого типа (два слоя ВМГ находятся
друг над другом и разделены талой прослойкой).
Рис. 1.1. Карта распространения вечномерзлых пород на территории России
В мерзлых породах часто бывают включения чистого льда, оттаива-
ние которого приводит к большим осадкам поверхности. Различают сле-
дующие формы залегания льда:
пластовая – лед залегает слоем сравнительно одинаковой мощности
(от нескольких сантиметров до десятков метров);
линзовидная – лед имеет увеличенную в средней части площадь (до
нескольких десятков квадратных метров);
клиновидная – лед заполняет морозобойные трещины на глубину до
20 м, а местами и более;
гнездовидная – лед заполняет отдельные полости в виде небольших
включений.
В пределах массива мерзлых грунтов могут находиться талые грунты,
так называемые талики, которые могут быть сквозными и несквозными.
Сквозные талики, как правило, образуются под крупными реками, озерами
и водохранилищами, несквозные – под отрицательными формами рельефа,

Г л а в а 1. Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне
8
мелкими водоемами и др. Число таликов с севера на юг возрастает, их
суммарная площадь увеличивается – и мерзлые грунты исчезают (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Вертикальное строение мерзлых толщ с юга на север: 1 – южная
граница реликтовых (1a) и современных (16) вечномерзлых толщ; 2 – слой
сезонного промерзания (2 а) и протаивания (2 б); 3 – несквозные талики;
4 – современные несливающиеся вечномерзлые толщи; 5 – сквозные талики;
6 – современные сливающиеся вечномерзлые толщи; 7 – реликтовые сли-
вающиеся и несливающиеся вечномерзлые толщи
Наличие в толще вечномерзлых грунтов талых зон определяет осо-
бенности подземных вод, которые встречаются в талых и сезонноталых
слоях и подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлот-
ные. Они могут сообщаться между собой и водоемами.
Надмерзлотные воды питаются в основном атмосферными осадками.
Их зеркало часто повторяет рельеф поверхности; воды двигаются в сторо-
ну уклона местности, при этом кровля ВМГ служит для них водоупором.
Межмерзлотные воды встречаются реже. Они существуют благодаря
связи с надмерзлотными и подмерзлотными водами и постоянному переносу
водой тепла в межмерзлотную талую зону. Возможно также наличие меж-
мерзлотных вод в замкнутых таликах, если эти воды засолены и темпера-
тура их замерзания понижена.
Подмерзлотные воды распространены повсеместно. К ним относятся
воды артезианских бассейнов, расположенных непосредственно под мерзлой
толщей, и воды более глубоких горизонтов. Подмерзлотные воды подпи-
тываются главным образом за счет просачивания надмерзлотных и речных
вод через сквозные талики и трещиноватые зоны. Подмерзлотные воды
обычно имеют напор и изливаются на поверхность через естественные вы-
ходы. Иногда подмерзлотные воды, поднимаясь с больших глубин, имеют
высокую температуру, что обеспечивает существование незамерзающих
источников.

К
лых по
реохла
соленн
вые ра
легающ
Т
но-теп
покров
турны
поверх
года и
ратурн
активн
или от
Р
П
нию и
Кроме та
ород встр
ажденные
ности. Ос
астворы (
щих мерз
1
Температ
плового б
вов (снег
ый режим
хности, а
и геотерм
ный режи
ном распа
т тепла, пр
Рис. 1.3. Ра
на
и несл
Поверхно
или проме
алых поро
речаются
е породы
собенно о
(криопэги
злых грун
1.2. Тем
в
турный ре
баланса п
г, растите
массива
амплитуды
мического
им грунто
аде, при
риносимо
а
аспределени
участках с
ливающего
остный с
ерзанию,
1
од с поло
талые по
), которы
опасны на
и), которы
нтов.
мператур
вечноме
ежим гру
оверхнос
ельность)
грунтов
ы колеба
градиент
ов зависит
экзотерм
ого в грун
ие средней
с вечномерз
ося (б) типо
лой грун
называет
. 2 . Температу
ожительн
ороды с о
ые не заме
аходящие
ые могут
раимощ
ерзлых
унтов опре
ти с учет
и теплоп
зависит о
аний темп
та (рис. 1
т также о
мических
нт фильтр
й годовой т
злыми грун
ов:1–кров
нта, подв
тся деяте
ура и мощнос
ной темпе
отрицател
ерзают бл
еся в грун
мигриров
щность
грунтов
еделяется
том тепло
потоком и
от средне
пературы
1.3). В не
от тепла,
химичес
рующейся
емпературы
нтами слив
вля ВМГ; 2
ергающи
ельным сл
сть массива в
ературой,
льной тем
лагодаря
нте незаме
вать с от
массива
в
я структу
ового вли
из недр З
ей годово
поверхн
екоторых
выделяем
ких реак
я водой.
б
ы грунта п
вающегося
2 – подошва
йся сезон
лоем. Тол
вечномерзлы
, в толще
мпературо
их больш
ерзающие
ттаивание
а
урой ради
ияния наз
Земли. Те
ой темпер
ности в т
случаях
мого при
кциях в гр
о вертикал
(а)
а ВМГ
нному от
лщина его
ых грунтов
9
е мерз-
ой (пе-
шой за-
е соле-
м при-
ацион-
земных
мпера-
ратуры
ечение
темпе-
радио-
рунтах
ли
ттаива-
о опре-

Г л а в а 1. Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне
10
деляется глубиной зимнего промерзания или летнего оттаивания. Слой
грунтов, замерзший зимой и не оттаивающий в течение нескольких лет,
называется перелетком. Мощность деятельного слоя зависит в основном
от географической широты местности, термического сопротивления по-
кровов (растительного и снежного) и состава грунтов. Она меняется от
0,2–0,3 м (в высоких широтах) до 3–4 м (на широте 55–60). Величину дея-
тельного слоя можно рассчитать, как и среднюю годовую температуру
грунта на подошве деятельного слоя. Эти два параметра в основном опре-
деляют температуру вечномерзлых грунтов. В формировании температуры
и мощности ВМГ участвует геотермический градиент, который в пределах
криолитозоны изменяется от 0,02 до 0,035 °С на 1 м. Следует различать
однородный по площади и неоднородный температурный режим грунтов.
Условия теплообмена на дневной поверхности постоянны на площади,
размеры которой превосходят мощность ВМГ в 5–6 раз.
1.3. Мерзлотно-геологические процессы и явления
Мерзлотно-геологические процессы в криолитозоне могут быть под-
разделены на три группы [2; 5; 7]:
1) мерзлотные процессы (морозобойное растрескивание, льдообразо-
вание, криогенное выветривание, морозное пучение, наледообразование
и термокарст);
2) склоновые процессы (солифлюкция и курумообразование);
3) процессы, обусловленные механическим воздействием на мерзлые
грунты водоемов и водных потоков (термоэрозия, термообразия).
Особенности распространения, интенсивности развития и проявле-
ния перечисленных процессов в целом определяются ландшафтно-
климатическими и мерзлотно-геологическими факторами.
Опишем мерзлотно-геологические процессы.
Морозобойное растрескивание происходит в основном по двум
причинам:
● вследствие разной (для отдельных слоев мерзлого грунта) величины
отрицательной температуры, обусловливающей неодинаковое сжатие
отдельных слоев;
● в результате образования местных бугров пучения из-за нерав-
номерной миграции влаги.
В зимнее время при охлаждении грунта с поверхности отдельные
слои промерзшего грунта будут иметь разную отрицательную температу-
ру, убывающую с глубиной (рис. 1.4). Это вызывает неравномерное сжатие
грунтов – большее там, где ниже температура. При этом величина макси-

мально
ориент
где ΔT
грунта
Gf=0,
ной у
грунта
эффиц
К
гающе
Рассто
Ш
иногда
сиве м
попере
ется н
полиго
слоев
ого сдвиг
тировочн
T/h = (Tд.
а на дневн
,5 Ef/(1+μ
пругости
а;af –коэ
циент про
Ри
а–расч
Когда соп
его напря
ояние меж
Ширина
а10см,г
мерзлого
ечные тр
а отдельн
она из-за
грунта.
гающего
но определ
п – Th)/h
ной поверх
μf) – моду
, Па;μf
эффициен
опорциона
ис. 1.4. Схе
четная схем
противлен
яжения τх,
жду трещи
первичны
глубина –
грунта и
ещины, а
ные полиг
а появлен
напряжен
ляется фо
–
градие
хности, С
уль упруго
–
коэф
нт линейн
альности,
а
ема образо
ма;б–прин
мерзлог
ние мерзл
, то произ
инами Х о
Х
ых трещи
–
до6м.П
и дальней
а постепе
гоны; при
ия значи
1.3
ния τх (на
ормулой
ент темпе
С;Th–тем
ости при
ффициент
ного сжат
, близкий
вания трещ
нятое в рас
гослоясгл
лого грун
зойдет ра
определяе
вр
2
ff
Х
ас



ин поверх
После обр
йшего пон
енно весь
и этом тре
тельных
. Мерзлотно-
апряжени
∆
,
ературы, °
мпература
сдвиге, П
бокового
тия мерзл
й к единиц
б
щин в мерзл
счете измен
лубиной
нта сдвигу
азрыв гру
ется по ф
р
Т
h

.
ху чаще в
разования
нижения
ь промерз
ещины во
напряжен
геологически
я у повер
°С/м; Tд.п
а грунта н
Па;Ef–м
о расшир
лого грун
це.
лых грунта
нение темп
у τвр буде
нта и поя
формуле
всего сост
я первой т
температ
зающий м
озникают
ний при
ие процессы и
рхности г
п – темпе
на глубине
модуль но
рения ме
та, 1/°С;
ах:
пературы
ет меньше
явится тре
тавляет 2
трещины
туры возн
массив ра
также и в
изгибе ве
и явления
11
грунта)
(1.1)
ература
еh,С;
рмаль-
ерзлого
n–ко-
е сдви-
ещина.
(1.2)
2–4 см,
в мас-
никают
азбива-
внутри
ерхних

Г л а в а 1. Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне
12
Вторая причина образования трещин в промерзающих грунтах – это
образование бугров пучения. Внутреннее давление в буграх пучения
может достигать нескольких десятков атмосфер, что приводит к изгибу
верхнего слоя грунта и образованию трещин. В эти трещины обычно изли-
вается напорная вода, которая, замерзая, образует грунтовые наледи.
Льдообразование. Попадая в трещины, вода замерзает и образует
ледяные жилы. Они могут расти за счет вторичного растрескивания и за-
полнения трещин льдом и оттаивать с заполнением образовавшейся полости
грунтовым материалом (грунтовые жилы).
Жильные структуры подразделяются на четыре типа:
1) повторно-жильные льды;
2) изначально-грунтовые жилы;
3) первично-песчаные жилы;
4) псевдоморфозы по повторно-жильным льдам.
Повторно-жильные льды образуются ниже слоя сезонного оттаива-
ния на периодически покрывающихся водой участках рельефа. Изначально
грунтовые жилы возникают в слое сезонного промерзания в условиях не-
достаточного увлажнения. Первично-песчаные жилы образуются главным
образом в арктических и субарктических районах в условиях недостаточного
увлажнения и интенсивного ветра. Зимой сильный ветер сдувает снежный
покров и заполняет появляющиеся морозобойные трещины песком. Псев-
доморфозы по повторно-жильным льдам возникают в результате вытаива-
ния ледяных жил и заполнения этого пространства грунтом. Характерные
примеры развития мощных повторно-жильных (клиновидных) льдов приве-
дены на рис. 1 .5 –1 .7 а, б. Интенсивность морозобойного растрескивания
и частота появления морозобойных трещин возрастают с юга на север.
Криогенное выветривание. Процесс развивается в скальных грунтах
за счет периодического замерзания и оттаивания воды в трещинах. Интен-
сивность процесса зависит от числа циклов промерзания–оттаивания
скального грунта, амплитуды температурных колебаний, градиента темпе-
ратуры в грунте и количества воды в трещинах. Увлажненные грунты
больше подвержены разрушению, чем сухие. Продуктами разрушения яв-
ляются глыбы, щебень, дресва, песок и пыль.
Морозное пучение. Увеличение объема грунтов при промерзании,
которое в природных условиях (вследствие неоднородности их состава,
неравномерности распределения влаги и различия в условиях питания под-
земными водами) всегда бывает неравномерным, называется морозным пу-
чением грунтов. При промерзании пучение грунтов происходит как в связи
с увеличением объема содержащейся в них воды (на 9 %) при переходе ее
из жидкого в твердое состояние, так и в результате замерзания новых пор-
ций воды, мигрируемой под действием молекулярных сил из соседних
непромерзших областей грунта.

1.3 . Мерзлотно-геологические процессы и явления
13
Рис 1.5. Характерная клиновидная жила подземного льда в обнажении
на террасе р. Казачка (Чукотка, фото С. В . Томирдиаро)

Г л а в а 1. Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне
14
В процессе морозной миграции, особенно в случае отсутствия под-
тока воды извне, возникает значительное перераспределение влаги. Мине-
ральные прослойки при этом испытывают внутриобъемную компрессию
и оказываются несколько обезвоженными в результате удаления из них
воды в места образования ледяных прослоек. При отсутствии подтока воды
извне (замкнутая система) общая величина морозного пучения грунтов
будет значительно меньше, по сравнению с увеличением их объема при
возможности подтока воды извне (открытая система); есть область питания
водой, например грунтовые воды или талые обводненные грунты.
Рис . 1.6. Ледяные жилы в обрыве высотой около 40 м,
размываемом рекой (по П. Ф . Швецову)
Чем медленнее происходит процесс промерзания грунтов, тем боль-
ше их пучение, так как к фронту промерзания успевают подтягиваться
большие количества воды, преодолевая сопротивление трению по пути
движения. Способность к пучению грунтов возникает в пылеватых, глини-
стых и (слабее) в песчаных грунтах. Крупнозернистые песчаные грунты не
подвержены пучению. С понижением отрицательной температуры пучение
замедляется, а затем прекращается вовсе.

1.3 . Мерзлотно-геологические процессы и явления
15
а
б
Рис. 1.7. Общий вид и разрез ледовой равнины в Северной Якутии. Под тонким
грунтовым покровом залегают слившиеся в мощный (до 30 м по толщине) ледяной
массив древние жильные льды ледникового времени. Минеральный грунт – лесс –
разорван на отдельные земляные колонны, зажатые во льду в шахматном порядке.
Тепловая просадка такой равнины достигает 90 % (фото С. В . Томирдиаро): а – об-
щий вид; б – разрез ледовой равнины

Г л а в а 1. Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне
16
Так, в песках процесс прекращается уже при температуре –0,5 °С,
в глинах – при – 4 °С. Основным показателем получения грунтов является
модуль пучения – величина пучения, отнесенная к слою промерзшего
грунта и измеряемая в метрах пучения на метр промерзания. Его значения
зависят от состава грунта, начальной влажности, скорости промерзания,
положения уровня грунтовых вод и др.
Наледи. Наледями называются слоистые ледяные массивы на по-
верхности земли, льда или инженерных сооружений. Они возникают при
замерзании излившейся на поверхность воды. Надмерзлотные воды зимой
получают напор вследствие промерзания грунта и уменьшения живого
сечения потока и изливаются на поверхность (грунтовые наледи). Если
промерзает речной поток, то вода, разрушая лед, изливается на его поверх-
ность и, замерзая, образует речную наледь. Грунтовая наледь появляется
на участках, где движению грунтовых вод препятствует какая-либо преграда,
например местное увеличение промерзания с поверхности или залегание
слабофильтруюших грунтов. Грунтовая наледь может образовываться из-
за скопления воды и возникновения бугра под почвенным слоем с после-
дующим прорывом вод из него на поверхность (рис. 1.8), под отсыпанным
в летний период массивом грунта, шлака, золы и др., в результате устрой-
ства плотин, водоемов, дамб, выемок и водоотводных канав. По времени
существования выделяют однолетние (полностью оттаивающие летом)
и многолетние (существующие ряд лет) наледи. Характерный пример обра-
зования наледей при фильтрации из хвостохранилищ приведен на рис. 1.9.
Термокарст. Процесс образования просадочных и провальных форм
рельефа в результате вытаивания подземных льдов или сильнольдистых
грунтов называется термокарстом. Механизм этого процесса заключается
в уплотнении грунтов после оттаивания под действием бытового давления
оттаявшего слоя с отжатием воды на поверхность или в водоносный гори-
зонт. Термокарст начинается, когда сезонное оттаивание грунта в силу
многих причин (например аномальное повышение температуры воздуха,
удаление растительного покрова, скопление снега и др.) превышает глубину
залегания подземных льдов или сильнольдистых грунтов. Осадка грунтов
приводит к появлению отрицательных форм рельефа, где в дальнейшем
накапливается снег, что уменьшает зимнее промерзание грунта, которое
становится меньше летнего оттаивания. Со временем термокарстовые по-
нижения в рельефе заполняются водой и образуют термокарстовые озера
глубиной 0,5–20 м с положительной средней годовой температурой по-
верхности дна озера, что приводит к дальнейшему оттаиванию грунтов.
При развитии термокарста по повторно-жильным льдам на дренированных
участках образуются положительные формы рельефа за счет оттаивания
ледяных жил и опускания поверхности над ними.

Х
сооруж
О
Рис.
движ
почв
грун
Рис.
С
грунта
Характерн
жений пр
Опишем
а
1.8 . Схема
жения подз
венным сло
нта (шлак, з
1.9 . Налед
(хвост
Солифлю
а деятельн
ные прим
иведены
склоновы
а образован
земных вод
оем;в–пр
зола, опилк
ди и гидрол
тохранилищ
юкция. П
ного слоя
меры разви
на рис. 1.
ые процес
ния наледе
д;б–при
ри наличи
ки и др.)
лакколиты
щеNo1Нор
Процесс в
я по склон
1.3
ития терм
. 10, 1.11.
ссы.
б
ей:а–при
и скоплении
и локально
на участка
рильского Г
вязкоплас
ну под де
. Мерзлотно-
мокарста п
наличии м
иводыив
ого теплои
х высачива
ГМК, фото
тического
ействием
геологически
при строи
мерзлой пр
возникнове
изолятора н
ания фильт
оГ.И.Кузн
о движен
гравитац
ие процессы и
ительстве
в
реграды на
ении бугра
на поверхн
трационных
нецова)
ния оттая
ционных с
и явления
17
гидро-
пути
а под
ности
х вод
явшего
сил на-

Г л а в а 1. Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне
18
зывается солифлюкцией. Движение происходит, когда сила сдвига, завися-
щая от крутизны склона, оказывается больше сил сцепления в массиве от-
таявшего грунта и сил трения по контакту с мерзлым грунтом. Предельная
крутизна склона аот, на котором возможна солифлюкция, определяется по
формуле
sin от
с
от
	,
(1.3)
где cth – сцепление оттаявшего грунта, Па; g – ускорение силы тяжести,
м/с
2
; pth – плотность оттаявшего грунта, кг/м
3
; hот – глубина оттаивания, м;
f – коэффициент трения оттаявших грунтов по подстилаемым мерзлым
грунтам.
В процессе солифлюкции происходят снос, транзит и аккумуляция
грунта. Различают два вида солифлюкции: медленную, которая отличается
сравнительно равномерным по площади смещением грунта с небольшими
скоростями (2–10 см/год), и быструю (сплывы грунта), которая сопровожда-
ется нарушением внутренних связей в грунте, а также разрывом дернового
покрова. При этом скорость смещения грунта может достигать 1 м/ч.
Курумообразование. Процесс медленного перемещения вниз по
склону крупнообломочного материала за счет его морозного выпучивания
называется процессом курумообразования. В комплекс механизмов движе-
ния курумов также входят соскальзование обломков скальных грунтов по
льду, вязкопластическая деформация мелкозема, движение материала под
действием гидродинамического напора и суффозия. Курумы образуют ка-
менные потоки, нагорные террасы, заполняют узкие ложбины, слагают
обширные каменные поля. Скорость транспортировки материала обычно
составляет несколько сантиметров в год и в значительной степени опреде-
ляется крутизной склона, степенью его увлажненности, содержанием
в крупнообломочных грунтах мелкозема и льда.
Процессы, обусловленные механическим воздействием на мерзлые
грунты водоемов и водных потоков, представлены ниже.
Термообразия. Разрушение вечномерзлых берегов морей, озер, во-
дохранилищ в результате совместного механического и теплового воздей-
ствия на них окружающей среды (атмосферы и гидросферы) называется
термообразией (рис. 1.12, 1.13). Скорость отступания подверженных тер-
мообразии берегов достигает нескольких метров в год и зависит от льди-
стости грунтов, температуры воды и воздуха, высоты и длины волны
и скорости ветра. В большинстве случаев процессу разрушения и сноса
материала первоначально предшествует его оттаивание. Оттаявший слой
уносится волной или ветром и не оказывает термического сопротивления
оттаиванию последующего слоя.

1.3 . Мерзлотно-геологические процессы и явления
19
Рис. 1.10. Развитие термокарста в начальной стадии наполнения водохранилища
на р. Казачке в г. Анадырь (фото Г. И. Кузнецова)

Г л а в а 1. Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне
20
Рис. 1.11. Развитие термокарста в нижнем бьефе водохранилища
Анадырской ТЭЦ (фото Г. И. Кузнецова)
Рис. 1.12. Термокарст, термоэрозия и термоабразия льдонасыщенного массива
на севере Якутии (фото В. В. Куницкого)

1.3 . Мерзлотно-геологические процессы и явления
21
Термоэрозия. Процесс размыва оттаивающих грунтов постоянными
и временными водотоками называется термоэрозией. Вначале мерзлые
грунты оттаивают, затем размываются, и их уносит водным потоком. Ин-
тенсивность развития термоэрозии определяется соотношением скоростей
оттаивания и размыва.
Рис. 1.13. Плавающий мохо-дерновой покров на оттаивающем льдонасыщенном
массиве берега озера Подгорное в Нижнеанадырской тундре (фото С. В . Томирдиаро)
По сути это очень похожие процессы и отличаются только тем, что
при термоабразии разрушение и перенос материала осуществляются за счет
энергии волны, а при термоэрозии – за счет энергии струи. Развитие термо-
эрозии чаще всего начинается с нарушения почвенно-растительного по-
крова и стока поверхностных вод. По мере развития процесса появляются
промоины, которые затем могут трансформироваться в овраги. На ранних
стадиях процесса скорость роста промоин в длину достигает 20, а иногда
и150мвгод.
Контрольные вопросы и задания
1. Как распространяются вечномерзлые грунты в плане и по глубине
на территории России?
2. Перечислите формы залегания льда в мерзлых породах.
3. Назовите характерные особенности температурного режима веч-
номерзлой толщи.
4. Какие мерзлотные процессы наблюдаются в криолитозоне?

Г л а в а 2. Состав и свойства мерзлых, оттаивающих и талых грунтов
22
Глава2
СОСТАВ И СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ,
ОТТАИВАЮЩИХ И ТАЛЫХ ГРУНТОВ
2.1. Состав и классификация грунтов
Грунтами называются естественные горные породы, а также техно-
генные образования, например минеральные промышленные отходы, отвалы,
хвосты, золошлаки и т. п . По своему происхождению и условиям форми-
рования грунты подразделяются на континентальные и морские отложения.
К континентальным отложениям относятся:
● элювиальные отложения, залегающие в месте их первоначального
образования;
● делювиальные отложения, располагающиеся на склонах той же
возвышенности, где они первоначально возникли, и перемещаемые под
действием силы тяжести и смываемые атмосферными осадками;
● аллювиальные отложения, перенесенные с места их образования
водными потоками;
● ледниковые (морены), водно-ледниковые (пески и галечники)
и озерно-ледниковые (ленточные глины, суглинки и супеси) отложения,
перенесенные ледником;
● эоловые отложения (лёссы, пески дюн и барханов, перенесенные
ветром).
К морским отложениям относятся:
● дисперсные глины;
● органогенные грунты (например ракушечники);
● органоминеральные (илы, заторфованные грунты), различные пес-
ки и галечники.
Грунты подразделяются на скальные и нескальные, а также на талые
и мерзлые. Скальные грунты – это однофазная система, в которой присут-
ствуют в основном только твердые минеральные частицы (если скала тре-
щиноватая, то в трещинах может находиться вода в жидкой и твердой
фазах и газ). Нескальные грунты – двух-, трех- и четырехфазные системы,
в которых имеются минеральные частицы, вода, газы и лед (последний
только в мерзлых грунтах).
Твердые минеральные частицы представляют собой систему разно-
образных по форме, составу и размерам твердых зерен различного минера-

2.1 . Состав и классификация грунтов
23
логического состава, от которого очень зависят их свойства. Так, одни мине-
ралы (кварц, полевой шпат) менее активно взаимодействуют с водой, чем
другие (монтмориллонит). Чем мельче частицы грунта, тем выше их
удельная поверхность и больше центров взаимодействия как с окружаю-
щей твердые частицы водой, так и в контактах самих твердых частиц. По
своему размеру минеральные частицы подразделяются на песчаные (раз-
мером более 0,005 мм) и глинистые (размером менее 0,005 мм). Большая
удельная поверхность глинистых частиц (например, частицы минерала
монтмориллонита имеют поверхность в 800 м
2
/г) предопределяет (при
наличии влаги) пластические свойства грунта и его способность раскаты-
ваться в шнур. Глинистые частицы в отличие от песчаных, имеющих ком-
пактную форму, разнообразны по форме и представляют собой тонкие
чешуйки, толщина которых в 10–50 раз меньше их большего размера.
Кроме того, кристаллы монтмориллонита, например обладают подвижной
кристаллической решеткой и способны при соответствующих условиях
втягивать внутрь себя молекулы воды и значительно набухать.
Вода в грунтах, ее виды и свойства могут быть весьма различными
в зависимости от ее количества и сил взаимодействия с минеральными
частицами. Минеральные частицы заряжены отрицательно, а молекулы
воды представляют собой диполи, заряженные положительно на одном
(атом кислорода) и отрицательно на другом (два атома водорода) конце.
При соприкосновении молекул воды с минеральной частицей электромо-
лекулярные силы выстраивают диполи воды в несколько молекулярных
слоев вокруг частицы. По мере удаления слоя от частицы электромолеку-
лярные силы убывают – и вода из прочносвязанной (адсорбированной)
превращается в рыхлосвязанную (дисорбированную) и далее в свободную
воду, находящуюся вне сферы действия электромолекулярных сил. В свою
очередь свободная вода подразделяется на гравитационную, движение
которой происходит под действием напора, и капиллярную, движущуюся
под действием капиллярных сил. При отрицательной температуре грунта
свободная вода замерзает, рыхлосвязанная замерзает частично (чем ниже
температура, тем больше замерзает рыхлосвязанной воды), а прочносвя-
занная вода не замерзает никогда. Таким образом, даже при отрицательной
температуре в грунте всегда присутствует незамерзшая вода, количество
которой зависит от состава грунта и температуры (рис. 2 .1). Наличие неза-
мерзшей воды в значительной степени определяет прочностные характе-
ристики мерзлого грунта.
Третья категория воды, содержащаяся только при отрицательной
температуре, – обыкновенный лед. Это лед, образующийся в крупных порах,
а также в виде отдельных включений, линз, прослоек и др. По условиям
формирования различают конституционные льды, которые образуются

Глава
24
при п
(при з
щин);
поверх
К
образу
чистог
услови
ная т
три ви
2. Состав и
промерзан
заполнени
погребен
хности).
в
а
Конститу
ует как вн
го льда, з
ий промо
текстура
ида текст
свойства ме
нии увлаж
ии льдом
нные (при
Рис. 2.1.
грунтах: 1
Рис. 2.2. О
а–м
уционный
нутрипоро
залегающи
ораживани
мерзлых
туры: ма
рзлых, оттаи
жненных
полостей
и погребе
. Кривые со
–
глина; 2
4–с
Основные в
массивная;
й лед явля
овый гру
ие в толщ
ия и нали
х грунтов
ссивную,
вающих и тал
грунтов
й в пород
ении в гр
одержания
–
покровн
супесь; 5 –п
б
виды тексту
б – слоист
яется стру
унтовый л
ще промер
ичия подт
в, определ
слоистую
лых грунтов
жильны
де, напри
рунте сне
незамерзш
ная глина; 3
песок
уры мерзлы
тая; в – сетч
уктурообр
лед (лед-ц
рзших гру
тока воды
ляющая и
ю и сетча
ые и повт
имер мор
ега и льд
шей воды
3 – суглино
ых грунтов
чатая
разующим
цемент), т
унтов. В
ы формир
их свойс
атую (рис
торно-жи
озобойны
а, лежащ
ок;
в
в
м фактор
так и прос
зависимо
руется кр
ства. Разл
с. 2.2).
ильные
ых тре-
щего на
ом. Он
слойки
ости от
риоген-
личают

2.1 . Состав и классификация грунтов
25
Грунты массивной текстуры имеют большую прочность и при оттаи-
вании дают меньшую осадку, чем грунты слоистой и сетчатой текстуры
(при одинаковой льдистости). Жильные и повторно-жильные льды прида-
ют грунту большую неоднородность как прочностных, так и деформаци-
онных свойств. Погребенные льды, как правило, содержат внутри себя
большое количество воздуха, что влияет на прочностные и деформацион-
ные свойства грунта.
Газообразные включения (пары, газы) всегда в том или ином количе-
стве содержатся в грунтах и могут находиться в следующих состояниях:
защемленном, располагаясь в замкнутых пустотах между минеральными
частицами, окруженными пленками связанной воды, свободном, находясь
в открытых пустотах, сообщающихся с атмосферой, и растворенном в по-
ровой воде или во льду. Наличие защемленного и растворенного газа ска-
зывается на деформируемости грунта, увеличивая его упругость. Значение
свободных газов ничтожно, так как они не участвуют в распределении
давления между частицами грунта.
Все грунты, имеющие жесткие связи, относятся к скальным грунтам,
не имеющие – к нескальным.
Скальные грунты классифицируют:
● по прочности на одноосное сжатие Rc;
● трещиноватости (степени выветрелости) Квс, за которую принима-
ется отношение плотности грунта в естественном залегании (с трещинами)
к плотности монолита;
● размягчаемости в воде. Коэффициент размягчаемости Крз есть от-
ношение прочности грунта на одноосное сжатие в воде к его прочности на
воздухе;
● растворимости в воде (Крас измеряется в граммах растворенного
вещества в 1 л воды).
Классификации скальных грунтов проводят:
● по прочности – очень прочный Rc > 120 МПа; прочный Rс = 120–
50 МПа; средней прочности Rс = 50–15 МПа; малопрочный Rc= 15–5 МПа;
полускальный Rс < 5 МПа;
● трещиноватости – невыветрелые Kвс= 1,0; трещиноватые Kвс = 1,0–0 ,9;
выветрелые Kвс = 0,9–0,8; рухляк Kвс < 0,8;
● размягчаемости в воде – неразмягчаемый Крз>0,75; размягчаемый
Крз < 0,75;
● растворимости в воде – нерастворимые Крас < 0,01 г/л; труднорас-
творимые Крас = 0,01–1,00 г/л; среднерастворимые Крас = 1,00–10,00 г/л;
легкорастворимые Крас > 10,00 г/л.
Крупноскелетные грунты по гранулометрическому составу подраз-
деляются на крупнообломочные – d50 ≥ 2 мм (d50 – диаметр частиц, соот-

Г л а в а 2. Состав и свойства мерзлых, оттаивающих и талых грунтов
26
ветствующий 50-процентной обеспеченности на кривой грансостава)
и песчаные d50 < 2 мм.
Крупнообломочные грунты классифицируют по грансоставу, вывет-
релости, определяемой коэффициентом выветрелости Квк, представляю-
щим собой (К1 – К0)/К1 (К1 – отношение веса частиц диаметром d < 2 мм
к весу частиц диаметром d > 2 мм после специальных испытаний на исти-
рание, К0 – то же без испытаний на истирание); по степени влажности
(степени заполнения объема пор водой) Sr, представляющей собой отно-
шение объема воды в грунте к объему пор.
Классификации крупнообломочных грунтов проводят:
● по грансоставу – валунный грунт d50 ≥ 200 мм; галечниковый грунт
d50 ≥ 10 мм; гравийный грунт d50 ≥ 2 мм;
● выветрелости – невыветрелые Квк = 0,00–0,50; слабовыветрелые
Квк = 0,50–0,75; сильновыветрелые Квк = 0,75–1,00;
● степени влажности – маловлажные Sr = 0,0–0,5; влажные Sr = 0,5–0,8;
насыщенные водой Sr= 0,8–1,0.
Песчаные грунты классифицируют по грансоставу, степени влажно-
сти Sr, коэффициенту пористости е, представляющему собой отношение
объема пор в грунте к объему минеральных частиц (объему скелета грунта).
Классификации песчаных грунтов проводят:
● по грансоставу – песок гравелистый d25 > 2 мм; песок крупный
d50 ≥ 0,5 мм; песок средний d50 ≥ 0,25 мм; песок мелкий d75 ≥ 0,1 мм; песок
пылеватый d75 <0,1 мм;
● степени влажности – маловлажные Sr= 0,0–0,5; влажные Sr = 0,5–0,8;
насыщенные водой Sr = 0,8–1,0;
● коэффициенту пористости – плотный грунт е < 0,6; грунт средней
плотности е = 0,6–0,8; грунт рыхлый е > 0,8.
Глинистые грунты классифицируют:
● по числу пластичности Jp (суспесчаный грунт Ip = 0,01–0,07; сугли-
нистый грунт Ip =0,07–0,17; глина Ip >0,17);
● консистенции JL (твердые грунты IL < 0; пластичные гунты IL = 0–1;
текучие грунты IL > 1).
Грунты дополнительно классифицируют по сжимаемости под на-
грузкой а; наличию включений льда ii; текстуре; засоленности Dsal, пред-
ставляющей собой процентное отношение веса соли к весу скелета грунта,
и заторфованности, измеряемой степенью заторфованности I0Т, т. е. это
отношение веса растительных остатков в грунте к весу его скелета.
Классификацию этих грунтов проводят также:
● по сжимаемости – твердомерзлые грунты а < 0,01 МПа
–1
; пластич-
номерзлые грунты а ≥ 0,01 МПа
–1
. Косвенную оценку сжимаемости можно
определить по температуре мерзлого грунта. Грунты считают твердомерз-

2.2 . Физические и теплофизические свойства грунтов
27
лыми и практически несжимаемыми, если их температура будет ниже – 0,0 °С
для крупнообломочных грунтов, – 0,1 °С для крупных и средних песков; –
0,3 °С для мелких и пылеватых песков; – 0,6 °С для супесей; – 1,0 °С для
суглинков и – 1,5 °С для глин;
● льдистости – малольдистые (лед находится только в порах) ii, = 0,0;
льдистые ii, = 0,0–0,4; сильнольдистые ii, > 0,4;
● текстуре – массивная, только для малольдистых грунтов; слоистая
и сетчатая для льдистых и сильнольдистых грунтов. Различают частослои-
стую (мелкосетчатую) текстуру, если b<10 мм; среднеслоистую (средне-
сетчатую) текстуру, если b = 10–100 мм; редкослоистую (крупносетчатую)
текстуру, если b > 100 мм, где b для слоистой текстуры есть среднее рас-
стояние между ледяными прослойками, для сетчатой – средняя ширина
ячеи сетки;
● засоленности – засоленные и незасоленные грунты. Засоленными
грунтами являются пылеватые пески при Dsal≥ 0,05 %, пески при Dsal ≥ 0,10 %,
супеси при Dsal ≥ 0,15 %, суглинки при Dsal ≥0,20 %, глины при Dsal ≥ 0,25 %;
● заторфованности – грунты с примесью растительных остатков Iот =
= 0,03–0,10; слабозаторфованные грунты Iот = 0,10–0,25; среднезаторфо-
ванные грунты Iот = 0,25–0,40; сильнозаторфованные грунты Iот = 0,40–0,60;
торф Iот > 0,60.
2.2. Физические и теплофизические свойства грунтов
Физические свойства грунтов подразделяются на определяемые из
опыта и вычисляемые по формулам.
Опытным путем определяют плотность грунта естественного сложе-
ния ρ, плотность частиц грунта ρs, влажность природную w, влажность на
границе раскатывания wp и влажность на границе текучести wT (последние
два параметра только для глинистых грунтов). Для мерзлых грунтов число
параметров, определяемых опытным путем, увеличивается. К ним отно-
сятся суммарная влажность мерзлых грунтов wtot; влажность мерзлого
грунта, расположенного между льдистыми включениями, wm; содержание
незамерзшей воды ww; засоленность грунта Dsal; степень заторфованности
грунта Iот; температура начала замерзания грунта Tbf.
Расчетным путем находят плотность скелета грунта ρd (плотность
скелета талого грунта pd th и плотность скелета мерзлого грунта ρd, f), влаж-
ность объемную wv, влажность, соответствующую полному водонасыще-
нию wsat, степень влажности Sr, пористость n, коэффициент пористости е,
объем твердых частиц (скелета) в единице объема грунта т, объем газа
в единице объема грунта Va. Для глинистых грунтов дополнительно вы-

Г л а в а 2. Состав и свойства мерзлых, оттаивающих и талых грунтов
28
числяют число пластичности Ip и показатель консистенции IL, для мерзлых
грунтов – относительную льдистость i0, весовую льдистость (льдонасы-
щенность) i и льдистость ii грунта за счет ледяных включений.
2.2.1. Физические свойства грунта, определяемые
опытным путем
Под плотностью грунта в естественном сложении понимается отно-
шение веса грунта к его объему:
р = (g1 + g2)/Vo6,
где g1, g2 – вес соответственно твердых частиц (скелета) грунта и воды
в твердой (лед) и жидкой фазах; Vоб – общий объем грунта, включая объем
скелета V1, объем пор V2 и объем льда-включений V3.
Под плотностью частиц грунта (удельный вес) понимают отношение
веса частиц грунта к их объему:
ps = g1/V1.
Под природной влажностью грунта (весовой) – отношение веса воды
к весу скелета:
w = g2/g1.
В мерзлых грунтах природной влажностью считается суммарная
влажность wtot. Влажность мерзлого грунта, расположенного между льди-
стыми включениями, находят как вес воды g2 без этих включений g3, отне-
сенный к весу скелета: wm = (g2 –g3)/g1. Содержание незамерзшей воды –
как вес незамерзшей воды g4, отнесенный к весу скелета: ww = g4/g1.
Влажностью на границе раскатывания называется минимальная
влажность грунта wp, при которой он еще раскатывается в шнур диаметром
3 мм, влажностью на границе текучести – минимальная влажность грунта
wT, при которой грунт переходит в пластическое состояние.
Температура начала замерзания Tbf соответствует замерзанию
в грунте свободной воды и в основном зависит от состава грунта и его за-
соленности.
2.2.2. Физические свойства грунта, вычисляемые по формулам
Плотность скелета грунта есть отношение веса скелета грунта g1
к его общему объему Vоб. Вычисляют по формуле
pd=p/(1+w).
(2.1)
Влажность объемная есть отношение веса воды в грунте g2 к его об-
щему объему Vоб. Вычисляют по формуле
wv = w/(1+w).
(2.2)

2.2 . Физические и теплофизические свойства грунтов
29
Коэффициент пористости грунта есть отношение объема пор V2
к объему скелета грунта V1. Вычисляют по формуле
e = (ps – pd)/pd.
(2.3)
Пористость грунта есть отношение объема пор V2 к общему объему
грунта Vоб. Вычисляют по формуле
п=е/(1+е).
(2.4)
Объем твердых частиц в единице объема грунта есть отношение объе-
ма скелета V1, к общему объему грунта Vоб. Вычисляют по формуле
m=1/(1 + e).
(2.5)
Влажность, соответствующая полному водонасыщению грунта, есть
отношение веса воды при полном заполнении ею пор грунта к весу его
скелета. Вычисляют по формуле
wsat = e · pw/ps,
(2.6)
где pw – плотность воды, равная 1 000 кг/м
3
.
Степень влажности (используется только для крупноскелетных грун-
тов) показывает, какая часть общего объема пор в грунте занята водой,
измеряется отношением природной влажности w к влажности, соответст-
вующей полному водонасыщению wsat:
Sr=w/wsat.
(2.7)
Число пластичности характеризует пластические свойства глинистых
грунтов и измеряется разностью влажностей на границе текучести wт
и пластичности wp:
Ip=wт–wp.
(2.8)
Показатель консистенции определяет, в каком состоянии находится
глинистый грунт в естественном залегании, и измеряется следующим от-
ношением:
IL=(w–wp,)/Ip.
(2.9)
Относительная льдистость мерзлого грунта есть отношение веса
твердой фазы воды (льда) gi в грунте к общему весу воды g2 (жидкой
и твердой фазы) в нем. Вычисляют по формуле
i0=1 –ww/wtot.
(2.10)
Весовая льдистость – это отношение веса льда gi к весу всего грунта
(g1 + g2). Вычисляют по формуле
i = (wtot – ww)/(1 + wtot).
(2.11)

Г л а в а 2. Состав и свойства мерзлых, оттаивающих и талых грунтов
30
Суммарная льдистость – это отношение объема льда к объему всего
грунта (вместе со льдом). Вычисляют по формуле
iv = p·i/pi,
(2.12)
где рi – плотность льда.
Льдистость включений есть отношение объема льда включений
к объему всего грунта. Вычисляют по формуле
ii = ps(wtot – wm)/[pi+ps(wtot – ww)].
(2.13)
Физические свойства грунта допускается вычислять по эксперимен-
тально установленным зависимостям и таблицам.
Содержание незамерзшей воды определяется по формуле
ww = кw·wp,
(2.14)
где kw – коэффициент, принимаемый по табл. 2.1 в зависимости от числа
пластичности Ip и температуры грунта Т0.
Таблица 2.1
Значение коэффициента kw, доли единицы
Грунты
Число
пластичности
Значение коэффициента kw при температуре грунта
Т0, °С
–0,3
–0,5
–1,0
–2,0
–3,0 –4,0 –6,0
–8,0 –10,0
Пески и супеси Iр < 0,02
0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Супеси
0,02 < Iр ≤ 0,07 0,60 0,50 0,40 0,35 0,33 0,30 0,28 0,26 0,25
Суглинки
0,07 < Iр ≤ 0,13 0,70 0,65 0,60 0,50 0,48 0,45 0,43 0,41 0,40
Суглинки
0,13<Iр≤0,17
*
0,75 0,65 0,55 0,53 0,50 0,48 0,46 0,45
Глины
Iр < 0,17
*
0,95 0,90 0,65 0,63 0,60 0,58 0,56 0,55
* В порах грунта вся вода находится в незамерзшем состоянии.
Температура начала замерзания грунта определяется по данным
табл. 2 .2 в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора
cps, доли единицы, определяемой по формуле
cps = Dsal/(Dsal + 100 wtot).
(2.15)
Таблица 2.2
Температура начала замерзания грунта Тbf, °С
Грунты
Температура Тbf, °С, при концентрации порового раствора cps доля ед.
0,000
0,005
0,010
0,02
0,03
0,04
Пески
–0,0
–0,6
–0,8
–1,6
–2,2
–2,8
Супеси
–0,1
–0,6
–0,9
–1,7
–2,3
–2,9
Суглинки и глины
–0,2
–0,6
–1,1
–1,8
–2,5
–3,2

2.3 . Теплофизические свойства грунтов
31
2.3.Теплофизические свойства грунта
К теплофизическим свойствам грунтов относятся коэффициент теп-
лопроводности грунта, объемная (или весовая) теплоемкость, коэффициент
температуропроводности в талом ath и мерзлом af состоянии.
Теплофизические свойства грунтов определяются из опыта (табл. 2.3).
Допускается их назначать по таблицам, руководствуясь составом грунта
и его физическими свойствами.
Таблица 2.3
Расчетные значения теплофизических характеристик (по СНиП 2.02.04–88)
Плотность
сухого
грунта
ρdт,ρdм,
т/м
3
Суммар-
ная
влаж-
ность
грунта
WМ,
доли
единицы
Теплопроводность грунта, Вт/ !м °С),
[ккал/(м ч °С)]
Объемная
теплоемкость
грунта,
Дж/(м °С) 10–
6
[ккал/(м3
°С)]
Пески
разной
крупности
и гравели-
стые
Супеси
пылеватые
Суглинки
и глины
Заторфо-
ванные
грунты
и торфы
λтλмλтλмλтλмλтλмСтСм
0,1
9,00
–
–
–
–
–
–
0,81
(0,70)
1,34
(1,15)
4,00
(950)
2,31
(550)
0,1
6,00
–
–
–
–
–
–
0,40
(0,35)
0,70
(0,60)
2,73
(650)
1,68
(400)
0,1
4,00
–
–
–
–
–
–
0,23
(0,20)
0,41
(0,35)
1,88
(450)
1,26
(300)
0,1
2,00
–
–
–
–
–
–
0,12
(0,10)
0,23
(0,20)
1,05
(250)
0,64
(200)
0,2
4,00
–
–
–
–
–
–
0,81
(0,70)
1,33
(1,15)
3,78
(900)
2,40
(570)
0,2
2,00
–
–
–
–
–
–
0,23
(0,20)
0,52
(0,45)
2,10
(500)
1,47
(350)
1,0
0,60
–
–
–
2,00
(1,75)
–
1,90
(1,65)
–
–
3,44
(820)
2,18
(520)
1,2
0,40
–
–
–
1,90
(1,65)
1,57
(1,35)
1,80
(1,55)
–
–
3,11
(740)
2,12
(505)
1,4
0,35
–
–
1,80
(1,55)
1,86
(1,60)
1,57
(1,35)
1,66
(1,45)
–
–
3,35
(800)
2,35
(560)
1,4
0,30
–
–
1,74
(1,50)
1,80
(1,55)
1,45
(1,25)
1,57
(1,35)
–
–
3,02
(720)
2,18
(520)
1,4
0,25
1,91
(1,65)
2,14
(1,85)
1,57
(1,35)
1,68
(1,45)
1,33
(1,45)
1,51
(1,30)
–
–
2,78
(660)
2,06
(490)
1,4
0,20
1,57
(1,35)
1,86
(1,60)
1,33
(1,15)
1,51
(1,30)
1,10
(0,95)
1,22
(1\05)
–
–
2,48
(590)
1,89
(450)
1,4
0,15
1,39
(1,20)
1,62
(1,40)
1,10
(0,95)
1,27
(1,10)
0,87
(0,75)
0,99
(0,85)
–
–
2,18
(520)
1,76
(420)

Г л а в а 2. Состав и свойства мерзлых, оттаивающих и талых грунтов
32
Окончание табл. 2.3
Плотность
сухого
грунта
ρdт,ρdм,
т/м
3
Суммар-
ная
влаж-
ность
грунта
WМ,
доли
единицы
Теплопроводность грунта, Вт/ !м °С),
[ккал/(м ч °С)]
Объемная
теплоемкость
грунта,
Дж/(м °С) 10–
6
[ккал/(м3
°С)]
Пески
разной
крупности
и гравели-
стые
Супеси
пылеватые
Суглинки
и глины
Заторфо-
ванные
грунты
и торфы
λтλмλтλмλтλмλтλмСтСм
1,4
0,10
1,10
(0,95)
1,27
(1,10)
0,93
(0,80)
1,05
(0,90)
0,70
(0,60)
0,75
(0,65)
–
–
1,89
(450)
1,74
(415)
1,4
0,05
0,75
(0,65)
0,81
(0,70)
0,64
(0,55)
0,70
(0,60)
0,46
(0,40)
0,52
(0,45)
–
–
1,60
(380)
1,47
(350)
1,6
0,30
–
–
1,86
(1,60)
1,97
(1,70)
1,68
(1,45)
1,86
(1,55)
–
–
1,84
(835)
2,48
(590)
1,6
0,25
2,50
(2,15)
2,73
(2,35)
1,80
(1,55)
1,91
(1,65)
1,51
(1,30)
1,68
(1,45)
–
–
3,15
(750)
2,35
(560)
1,6
0,20
2,15
(1,85)
2,37
(2,05)
1,62
(1,40)
1,74
(1,50)
1,33
(1,15)
1,51
(1,30)
–
–
2,31
(670)
2,14
(510)
1,6
0,15
1,80
(1,55)
2,00
(1,75)
1,45
(1,25)
1,57
(1,35)
1,10
(0,95)
1,22
(1,05)
–
–
2,48
(590)
2,02
(480)
1,6
0,10
1,45
(1,25)
1,62
(1,40)
1,16
(1,00)
1,28
(1,10)
0,87
(0,75)
0,93
(0,80)
–
–
2,16
(515)
1,80
(430)
1,6
0,05
1,05
(0,90)
1,10
(0,95)
0,81
(0,70)
0,87
(0,75)
0,58
(0,50)
0,64
(0,55)
–
–
1,83
(435)
1,68
(400)
1,8
0,20
2,67
(2,30)
2,84
(2,45)
1,86
(1,60)
1,97
(1,70)
1,57
(1,35)
1,80
(1,55)
–
–
3,17
(755)'
2,41
(575)
1,8
0,15
2,26
(1,95)
2,62
(2,25)
1,68
(1,45)
1,80
(1,55)
1,39
(1,20)
1,57
(1,35)
–
–
2,78
(600)
2,26
(540)
1,8
0,10
1,97
(1,70)
2,20
(1,90)
1,45
(1,25)
1,57
(1,35)
1,05
(0,90)
1,22
(1,05)
–
–
2,42
(575)
2,04
(485)
1,8
0,05
1,45
(1,25)
1,51
(1,30)
0,99
(0,85)
0,99
(0,85)
0,70
(0,60)
0,75
(0,65)
–
–
2,04
(485)
1,89
(450)
2,0
0,10
2,73
(2,35)
2,90
(2,50)
1,74
(1,50)
1,86
(1,60)
1,28
(1,10)
1,39
(1,20)
–
–
2,68
(640)
2,26
(540)
2,0
0,05
2,10
(1,80)
2,14
(1,85)
–
–
–
–
–,
–
2,26
(540)
2,10
(500)
Обозначения, принятые в табл. 2.3: λт, λм – теплопроводность; Ст, См –
объемная теплоемкость; ρdт, ρdм – плотность, соответственно, талого и мерз-
лого грунта в сухом состоянии; WМ – влажность грунтов.

2.4 . Механические свойства грунтов
33
2.4. Механические свойства грунтов
Механическими свойствами грунтов являются их прочность и дефор-
мируемость. Под прочностью понимается способность грунта оказывать
сопротивление сжатию, растяжению (разрыву), сдвигу (срезу) и резанию.
Под деформируемостью – способность грунта изменять свой объем и форму
при приложении к нему внешней нагрузки, а для неконсолидированного
грунта – и собственного веса. Различают упругие и остаточные деформации.
Сопротивление грунта сжатию и растяжению характеризует его
возможность воспринимать внешние сжимающие и растягивающие на-
грузки. Его определяют в лабораторных условиях испытаниями на сжатие
и разрыв. Величина сопротивления сжатию Rc скального грунта обычно
изменяется от 200 до 450 МПа, нескального – от 0,5 до 30 МПа. Сопротив-
ление растяжению грунта Rp незначительно и обычно не превышает 2–5 %
от величины сопротивления сжатию Rc; для сыпучих грунтов оно равно
нулю. Глинистые грунты, а также мерзлые глинистые и песчаные прояв-
ляют реологические свойства, когда величины Rc и Rp зависят от времени
приложения нагрузки. Различают мгновенную прочность (время приложения
нагрузки стремится к нулю) и предельно длительную прочность (время
приложения нагрузки стремится к бесконечности), которая для мерзлого
грунта обычно на порядок меньше мгновенной. Для мерзлых грунтов
прочность существенно зависит от температуры, возрастая с ее понижением.
Сопротивление грунтов сдвигу зависит от давления на грунт, возрас-
тая с его увеличением, и выражается линейной зависимостью
Τпp=σtgφ+c,
(2.16)
где τпp – предельное сопротивление сдвигу; σ – нормальное давление на
грунт; с – сцепление грунта, зависящее только от прочности молекулярных
связей между грунтовыми компонентами; а φ – угол внутреннего трения
грунта; от размера и формы частиц грунта.
Упругие деформации возникают при динамических воздействиях на
грунты (ударах, взрывах, сейсмических колебаниях и вибрациях); знание
этих характеристик необходимо для прогноза поведения сооружений при
динамических нагрузках. В мерзлых грунтах упругие деформации имеют
место и при статических нагрузках, особенно при давлениях до 0,1 МПа.
При таких давлениях упругие деформации могут составлять 100 % от пол-
ной деформации (упругой и остаточной), при средних же давлениях (0,4–
1,0 МПа) и температуре выше –4 °С они составляют 10–30 % от полной
деформации. Упругие деформации описываются законом Гука, предпола-
гающим линейную зависимость между деформацией и нагрузкой:
σ=Е·е,
(2.17)

Г л а в а 2. Состав и свойства мерзлых, оттаивающих и талых грунтов
34
где σ – нагрузка; е – относительная деформация; Е – коэффициент пропор-
циональности (модуль упругости).
Различают деформации продольные епр (вдоль направления нагруз-
ки) и поперечные еп (поперек направлению нагрузки). Эти деформации ли-
нейно связаны между собой:
eп = μ·епр,
(2.18)
где μ – коэффициент Пуассона.
Остаточные деформации состоят из деформаций уплотнения,
связанных с уменьшением пористости грунта, и деформаций ползучести,
обусловленных разрушением молекулярных связей между минеральными
частицам и ползучестью скелета грунта, а в мерзлых грунтах – и ползуче-
стью льда. Деформации уплотнения происходят во всех грунтах (кроме
скальных), ползучести – только в мерзлых грунтах, в талых суглинках
и глинах.
Поскольку все деформации (упругие и остаточные) подчиняются од-
ному и тому же закону, есть смысл рассматривать их совместно. В этом
случае модуль упругости Е нужно заменить на модуль общей деформации
(упругой и остаточной) Е0, а коэффициент Пуассона μ – на коэффициент
относительной поперечной деформации μо.
При компрессионном уплотнении грунта линейную связь между де-
формацией и нагрузкой выражают через коэффициент сжимаемости ао, ко-
торый связан с Е0 и μо зависимостью
Е
.
(2.19)
Для мерзлых грунтов величины Е0 и μо зависят от температуры. С
понижением температуры Е0 возрастает, а μо убывает. Значение E0 твердо-
мерзлых грунтов столь велико, что эти грунты условно можно считать не-
сжимаемыми.
Особо следует остановиться на деформациях оттаивающих грунтов,
которые в основном зависят от их льдосодержания. Осадка за счет наличия
в грунте льда учитывается коэффициентом оттаивания А0, который совме-
стно с коэффициентом сжимаемости а0 и льдистостью включений ii полно-
стью характеризует деформационные свойства оттаивающих грунтов. Для
предварительных расчетов используют также относительную просадоч-
ность мерзлых грунтов при оттаивании δ; она определяется по их физиче-
ским свойствам в долях единиц:
для песчаных грунтов
δ=(pd.,th–pd,f)/pd,th,
(2.20)

2.4 . Механические свойства грунтов
35
для глинистых грунтов
δ = (1,1 wtot – wp – 0,1 ww)/(0,38 + wtot),
(2.21)
где pd., th, pd, f
–
плотность сухого мерзлого грунта и грунта после оттаива-
ния, кг/м
3
; wtot, wp, ww – соответственно суммарная влажность мерзлого
грунта, влажность на границе раскатывания, количество незамерзшей во-
ды, в долях единиц.
В табл. 2.4 и 2.5 приведены данные по относительной просадочности
вечномерзлых грунтов при оттаивании в зависимости от их физических
свойств.
Таблица 2.4
Относительная просадочность мерзлых песчаных грунтов при их оттаивании δ
Наименование грунта
Суммарная влажность, дол. ед.
0,15
0,20
0,25
0,30
Песок крупный
0,00
0,08
0,16
0,24
Песок средней крупности
0,00
0,05
0,13
0,20
Песок мелкий и пылеватый
0,00
0,00
0,10
0,16
Таблица 2.5
Относительная просадочность мерзлых глинистых грунтов при их оттаивании δ
Число пластичности, дол. ед.
Суммарная влажность, дол. ед.
0,25
0,30
0,40
0,50
0,60
0,03
0,08
0,15
0,27
0,34
0,46
0,07
0,06
0,12
0,23
0,33
0,42
0,17
0,00
0,00
0,09
0,20
0,30
0,25
0,00
0,00
0,00
0,08
0,21
Контрольные вопросы и задания
1. Назовите основные виды грунтов и содержащейся в них воды.
2. Назовите виды текстуры мерзлых грунтов.
3. По каким признакам проводится классификация грунтов?
4. Как определяются физико-механические и теплофизические свой-
ства грунтов?

Г л а в а 3. Способы обеспечения устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне
36
Глава3
СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
В КРИОЛИТОЗОНЕ
3.1. Охлаждение и предварительное оттаивание
вечномерзлых грунтов
Отличительной особенностью строительства зданий и сооружений, воз-
веденных на вечномерзлых грунтах (ВМГ) является необходимость регулиро-
вания температурного режима, в том числе с помощью охлаждающих уст-
ройств, которые призваны обеспечить стабильность мерзлотных условий в их
основании и, следовательно, безопасность сооружений. Такими устройствами
оборудуют все здания и сооружения, возводимые с сохранением мерзлого со-
стояния грунтов в их основании [1; 7]. В качестве охлаждающих устройств ис-
пользуются вентилируемые наружным воздухом подполья, вентилируемые
трубы или каналы, вертикальные и горизонтальные термосифоны (рис. 3 .1).
Вентилируемое подполье – наиболее распространенный тип поверхно-
стного охлаждающего устройства, отличающийся простотой конструкции
и надежностью работы. Вентиляция подполья наружным воздухом произво-
дится за счет ветрового напора через вентиляционные отверстия в цоколе зда-
ния или через щель между ростверком фундамента и поверхностью грунта.
Вентиляционные трубы или каналы (рис. 3.2) устанавливают в случае
больших тепловых нагрузок на пол первого этажа. Трубы размещают
в подсыпке из крупноскелетного материала, на поверхности которой возво-
дят пол здания. Диаметр труб обычно бывает 0,1–0,3 м, расстояние между
трубами – 0,5–3,0 м, глубина заложения труб – 0,5–1,5 м. Трубы объеди-
няют коллекторами, диаметр которых принимают в соответствии с расче-
тами всей вентиляционной системы. Как правило, трубы укладывают
параллельно поперечным осям здания и обязательно в пределах слоя се-
зонного оттаивания. Трубы и коллекторы имеют уклон 0,01 к выпускам
для стока из них воды, которая образуется при таянии инея и льда.
Воздух в трубы или каналы подают только в зимний период при по-
мощи вентиляторов. В это время происходит промораживание подсыпки
и охлаждение основания. Летом вентиляционную систему отключают,
и под действием тепла от здания грунт подсыпки оттаивает. Во избежание
неравномерной осадки грунтов основания и деформации охлаждающей

3.1 . Охлаждение и предварительное оттаивание вечномерзлых грунтов
37
системы и полов здания сезонное оттаивание не должно распространяться
ниже подошвы подсыпки. Это достигается при толщине подсыпки, равной
глубине сезонного оттаивания. Для ее уменьшения в конструкции пола
здания в некоторых случаях пpeдycмaтpивaют слой тeплoизoляции.
Рис. 3.1. Охлаждающие системы здания: а – вентилируемое
подполье, б – вентилируемые трубы, в – горизонтальные тер-
мосифоны; 1 – вентиляционное отверстие; 2 – приставной вен-
тиляционный короб; 3 – решетка; 4 – стена здания; 5 – ран-
дбалка; 6 – ограждение цоколя; 7 – вспомогательная (цоколь-
ная) балка; 8 – перекрытие над вентилируемым подпольем; 9 –
колонна; 10 – подсыпка из крупноскелетного материала; 11 –
трубчатая система; 12 – крышной вентилятор; 13 – вытяжная
труба; 14 – конденсатор горизонтального парожидкостного
термосифона; 15 – испаритель термосифона
а
б
в

Г л а в а 3. Способы обеспечения устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне
38
Для зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах следует пред-
принимать меры, обеспечивающие устойчивость здания и его эксплуата-
ционную безопасность. Это достигается выбором определенной схемы
здания, типа фундаментов и способов подготовки основания. Такие меры
принято называть способами обеспечения устойчивости. Все способы
условно объединяют в две большие группы, называемые принципами ис-
пользования вечномерзлых грунтов в качестве основания.
Рис. 3.2. Теплая стоянка строительных механизмов в пос. Удачный.
Охлаждающая подсыпка с естественной вентиляцией холодного воздуха;
диаметр труб – 800 мм (фото Кузнецова)
Принцип 1 – грунты основания используют в мерзлом состоянии,
сохраняемом в процессе строительства и в течение всего заданного перио-
да эксплуатации здания.
Принцип 2 – грунты основания используют в оттаявшем состоянии,
причем допускается их оттаивание на расчетную глубину до начала возве-
дения здания (предварительное оттаивание) или в процессе его эксплуатации.
Принципы определяют состав инженерных изысканий, методы ис-
следования характеристик грунтов, меры по управлению температурным

3.1 . Охлаждение и предварительное оттаивание вечномерзлых грунтов
39
режимом основания, конструктивное решение фундамента или подземной
части сооружения, технологию строительства, а также правила эксплуата-
ции сооружения. Нормы не допускают применения различных принципов
для отдельных частей одного здания. Сочетание принципов в пределах од-
ной площадки, застраиваемой группой зданий, возможно только при усло-
вии того, что их взаимное влияние друг на друга будет исключено. Обычно
это достигается устройством мерзлотных поясов между зданиями или их
частями, возводимыми по разным принципам, или достаточных разрывов
между соседними тепловыми штампами.
К принципу 1 относят способы обеспечения устойчивости, при кото-
рых подошва фундамента опирается на вечномерзлый грунт (при строи-
тельстве на подсыпке под подошвой фундамента допускается только се-
зонное оттаивание материала подсыпки):
● с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии;
● предварительным охлаждением пластичномерзлых и проморажи-
ванием талых грунтов основания;
● промораживанием талых грунтов основания в процессе строи-
тельства и эксплуатации здания.
К принципу 2 относят способы обеспечения устойчивости, при которых
подошва фундамента расположена выше кровли вечномерзлых грунтов
(ВМГ):
● с приспособлением надфундаментной конструкции к неравномер-
ным осадкам оттаивающего основания;
● предварительным оттаиванием ВМГ под всем сооружением;
● предварительным локальным оттаиванием ВМГ;
● co стабилизацией начального положения верхней границы ВМГ
с помощью вентилируемого подполья;
● стабилизацией начального положения верхней границы ВМГ
с помощью охлаждающего контура, устраиваемого по внешнему периметру
здания.
Способ обеспечения устойчивости по принципу 1 путем сохранения
грунтов основания в мерзлом состоянии применяется на участках с вечно-
мерзлыми грунтами (ВМГ) сливающегося типа. Сохранение мерзлого
состояния достигается расположением под зданием охлаждающего уст-
ройства, обеспечивающего отрицательную среднегодовую температуру
поверхности грунта в пределах контура здания.
Причиной деформаций сооружений является оттаивание ВМГ в их
основании, которое происходит из-за неудовлетворительной работы охла-
ждающего устройства, утечек и аварийных сбросов из санитарно-
технических сетей и теплового воздействия соседних сооружений. Венти-
лируемые подполья часто перестают работать из-за закрытия вентиляци-

Г л а в а 3. Способы обеспечения устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне
40
онных отверстий, которое происходит при снежных заносах и неправиль-
ной планировке фундамента здания.
При использовании вентиляционных труб в качестве охлаждающего
устройства система часто выходит из строя из-за скопления и замерзания
конденсата на стенах труб, что приводит к уменьшению расхода воздуха
в трубах. Канальная система более надежна, если каналы проходные.
В этом случае образующийся в каналах лед и засасываемый с воздухом
мусор может быть удален в процессе эксплуатации. Весьма перспективно
использование замкнутых систем охлаждения с жидкостными или паро-
жидкостными горизонтальными термосифонами.
Способ обеспечения устойчивости путем предварительного охлаж-
дения пластичномерзлых и промораживания талых грунтов основания
применяется в южной зоне распространения ВМГ. При помощи естествен-
ного или искусственного холода существенно повышают несущую спо-
собность основания, переводя грунты из пластичномерзлого или талого
состояния в твердомерзлое.
Предварительное охлаждение проводят в зимнее время путем естест-
венной вентиляции атмосферным воздухом очищенной от снега поверхно-
сти дна котлована под фундамент мелкого заложения или побудительной
вентиляции наружным воздухом скважин под свайные фундаменты.
Промораживание, производящееся установками искусственного
холода, наиболее дорогое, поэтому оно не получило широкого распростра-
нения. Известны случаи, когда после прекращения работы холодильных
установок промороженные массивы вновь оттаивали, что приводило к де-
формации построенных на них сооружений. Причиной было тепловое
влияние соседних тепловых источников или фильтрация подземных вод,
которым не могла противостоять охлаждающая система (рис. 3.3). Воз-
можность образования такой ситуации необходимо учитывать при проек-
тировании.
Способ обеспечения устойчивости по принципу 2 путем приспособ-
ления надфундаментной конструкции и подземной части сооружения к
неравномерным осадкам основания при оттаивании ВМГ. При этом усло-
вия взаимодействия здания с основанием чрезвычайно сложны, а тепловая
осадка грунтов может начинаться еще в строительный период.
Как показал опыт, практически невозможно добиться обеспечения
устойчивости здания на ВМГ только за счет повышения прочности его
конструкции. Очевидно этот способ пригоден лишь для застройки участков
с непросадочными или малопросадочными при оттаивании (менее 0,3 см/м)
грунтами. В последнем случае необходимо учитывать изменение проч-
ности конструкции, исходя из возможной неравномерности осадок осно-
вания.

3.1 . Охлаждение и предварительное оттаивание вечномерзлых грунтов
41
Способ обеспечения устойчивости путем предварительного оттаи-
вания ВМГ под всем зданием или иными сооружениями состоит в том, что
перед устройством фундамента проводят оттаивание ВМГ на такую глу-
бину, при которой дальнейшее оттаивание грунта под действием тепла от
здания за весь период его эксплуатации не вызовет недопустимой осадки.
После оттаивания грунту дают возможность уплотниться под собственным
весом. Для уплотнения грунта применяют вертикальный дренаж (например
песчаные дрены). Глубина предварительного оттаивания зависит от многих
параметров, главные – просадочность ВМГ при оттаивании и их темпера-
тура.
Рис. 3.3. Комплекс замораживающих систем на плотине Аркагалинской ГРЭС
(пос. Мяунджа Магаданской обл.); циркуляция жидкого хладоносителя
осуществлялась с помощью холодильного агрегата (фото Г. И. Кузнецова)
Способ обеспечения устойчивости путем стабилизации верхней
границы ВМГ с помощью охлаждающего контура предусматривает уста-
новку по внешнему контуру здания вертикальных термосифонов, которые
заглубляют в ВМГ. Термосифоны включаются в работу в первую зиму по-
сле их установки и ограничивают развитие чаши оттаивания. В результате
промораживания в основании вокруг здания образуется охлаждающий

Г л а в а 3. Способы обеспечения устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне
42
контур. Приток тепла к охлаждающему контуру от сооружения равен от-
току тепла в атмосферу через термосифоны, что и обеспечивает стабили-
зацию начального положения верхней границы вечномерзлых грунтов
в течение всего периода эксплуатации. Шаг расположения термосифонов
и их глубина определяются расчетом в зависимости от глубины залегания
кровли ВМГ, ширины здания и температуры воздуха в нем.
Важная проблема в условиях Крайнего Севера – это строительство
и эксплуатация промышленных бассейнов и накопителей различных отхо-
дов, золошлаков ТЭС и др. В результате теплового воздействия бассейнов
и накопителей происходят оттаивание вечномерзлого основания, разрушение
сооружения, вытекание воды и промстоков, инфильтрация жидкой фазы
отходов через оттаявшее основание и, как следствие, загрязнение подзем-
ных вод. Это приводит к нарушению безопасной эксплуатации бассейнов
и накопителей и загрязнению окружающей среды.
В СФУ разработана конструкция накопителя, позволяющая регули-
ровать глубину оттаивания мерзлого массива под постоянно действующим
источником тепла, каким является любой накопитель с гидротранспортной
системой удаления отходов. Цель разработки – обеспечение экологической
безопасности и устойчивости бассейна или накопителя при сохранении
водонепроницаемого мерзлого основания.
Для этого предлагается разделить одну глубокую чашу оттаивания
на несколько локальных с помощью разделительных дамб, оборудованных
системой термосифонов, образующих мерзлотные барьеры. Конструктив-
ная схема и результаты расчетов приведены на рис. 3.4, 3.5.
Возведение накопителя осуществляется следующим образом. После
завершения строительства дамб 2 и 6 и создания в них мерзлотных завес 3
и 7 начинается заполнение емкости гидросмесью через пульповыпуски 10
пульпопровода 9. В процессе намыва и осветления пульпы на дне емкости
формируется слой золошлаковых отходов 12; одновременно под ним фор-
мируются локальные чаши 11 оттаивания, развитие которых в стороны ог-
раничено мерзлотными завесами 3 и 7, а снизу – льдонасыщенным грунтом 5.
Слой отходов 12 оказывает дополнительное теплоизолирующее влияние
и тем самым замедляет процесс развития локальных чаш 11 оттаивания.
За период эксплуатации глубина локальных чаш оттаивания не вы-
ходит за пределы верхнего слоя основания, в талом состоянии слабопро-
ницаемого, а в мерзлом – водонепроницаемого. Тем самым в основании
накопителя создается естественный мерзлотный противофильтрационный
барьер.
Максимальная глубина термосифонов определяется расчетами чаши
оттаивания и мощностью толщи льдонасыщенных грунтов. Шаг установки
термосифонов принимается с учетом радиуса мерзлотного цилиндра грунта,

образу
муле
гдеτ–
высоте
за пер
мерзлы
замерз
тая те
влажн
П
радиус
(исход
завесу
О
ный п
лотной
постоя
Т
шу отт
оттаив
новаты
ующегося
–
продолж
е темпера
иод охлаж
ых грунт
зании 1 м
еплота пл
ость грун
При рабо
с мерзлог
дя из усло
у) приним
Ограждаю
ериод год
й завесы,
янной очи
Такое тех
таивания
вание вер
ых горны
я вокруг
жительнос
атура вне
ждения, °
ов, ккал/м
м
3
грунта,
лавления
нта;pd–п
Рис.
оте термо
го цилин
овия смык
мается рав
ющая дам
да раздел
, а основа
истки от с
хническое
на неско
рхнего не
ых пород
3.1 . Охлажд
термосиф
=
м
R
сть зимне
ешней по
°С;rк –е
м·ч ·°С; q
, определ
льда, рав
плотность
. 3.4. Попер
сифонов
ндра дост
кания мер
вным 1,8 м
мба прим
ительную
ание нако
снежного
е решени
олько лок
проницае
д, по тре
дение и предв
фона. Это
3τtrλ
ккм
3
q
его перио
верхност
е внешни
–
количе
ляемые по
вная 80 к
ь скелета г
речный раз
диаметро
игает 1 м
рзлых цил
м.
мыкает к
ю дамбу п
опителя и
о покрова.
ие позволя
кальных м
емого мер
щинам к
варительное
от радиус
м
+0,5 к
r,
ода охлаж
и подзем
ий радиус
ество теп
о формул
ккал/кг; W
грунта, т/
зрез золоот
ом 0,25 м
м.Шагу
линдров в
разделит
промораж
и огражд
.
яет разде
меньшей
рзлого сл
которых п
оттаивание в
с рассчит
ждения, ч;
мной труб
с;λм – теп
пла, выде
ле:
2
qрW

Wс–сум
/м
3
.
твала
мс1нояб
установки
в сплошн
тельной д
живают с
дающие д
елить одн
глубины
лоя основ
происход
вечномерзлы
тывают п
;tк –сред
бы термос
плопрово
еляющего
сd
Wр;р2–
ммарная в
бря по 31
и термоси
ную мерзл
дамбе. В
помощью
дамбы – з
ну глубок
ы, предотв
ания до т
дит фильт
ых грунтов
43
о фор-
(3.1)
дняя по
сифона
дность
ся при
–
скры-
весовая
марта
ифонов
лотную
холод-
ю мерз-
за счет
кую ча-
вращая
трещи-
трация

Глава
44
промы
Это р
накопи
в качес
ограни
слоя ск
Рис. 3
слойн
мерзл
с учет
Д
анализ
Ироки
С
в осно
симост
где t(x
tо–ср
ратура
пителя
ккал/м
Д
воздей
3. Способы
ышленных
ешение о
ителя пр
стве естес
ичение гл
кладируем
3.5 . Схема
ном мерзлом
отного бар
том мерзло
Для оцен
з предель
индинской
Стациона
овании на
ти
(,)
txy
x,у)–те
еднегодо
а грунта,
я,м;λт
м·ч·°С.
Для расч
йствию гр
обеспечения
х стоков
обеспечив
ри сохра
ственного
лубины о
мых отход
формиров
м основани
рьера, рассч
тного барь
ки эффек
ьного отт
й обогати
арное тем
акопителя
λ
1т
(
πλ
м
t

емператур
вая темпе
°С;Gу–
иλм–
чета чаши
руппы теп
я устойчивост
и, как сл
вает экол
нении во
о противоф
оттаивани
дов, замед
вания чаш
ии:1–конт
читанный п
ьера, рассчи
ктивности
таивания
ительной ф
мпературн
я без учет
)(arc
ог
tt

ра грунта
ература с
геотерми
теплопр
и оттаива
пловых ш
ти зданий и с
ледствие,
логическу
одонепро
фильтрац
ия достиг
дляющих
оттаивания
тур чаши о
по формуле
итанные по
и данного
основани
фабрики
ное поле
та мерзлот
2
ctg
B
x
y


а в любой
слоя отход
ический г
роводност
ания в ме
штампов (
сооружений в
загрязнен
ую безоп
оницаемог
ционного б
гается так
оттаиван
я под нако
оттаивания
е (3.1); 2, 3
о формулам
техничес
ия хвосто
(Республи
и преде
тного бар
2
arctg
B
y

й точке с
дов, °С; tг
градиент,
ть талого
ерзлом ма
(в нашем
криолитозон
ние окруж
пасность и
го мерзл
барьера. Д
кжевпр
ие мерзло
опителем о
под накоп
3 – контуры
м (3.2) и (3.
ского реш
охранилищ
ика Бурят
ельная ча
рьера пост
г
x
)t
y


координа
г – средне
°С/м; В –
оимер
ассиве, по
случае –
не
жающей
и устойч
лого осно
Дополнит
роцессе н
ого основа
отходов на
пителем без
ы чаш оттаи
.3)
шения вып
ща для ус
тия).
аша оттаи
троены по
Gy

,
атами х и
егодовая
–
ширина
рзлого гр
одвергаю
–
локальн
среды.
чивость
ования
тельное
намыва
ания.
а двух-
з учета
ивания
полнен
словий
ивания
о зави-
(3.2)
иу,°С;
темпе-
а нако-
рунтов,
ющемся
ных от-

3.1 . Охлаждение и предварительное оттаивание вечномерзлых грунтов
45
стойных прудов хвостохранилища), отделенных друг от друга раздели-
тельными дамбами, использована формула
1
λ
1
т
22
(,)
arctg
arctg
гг
λλ
λ
мт
т
n
BB
nn
xl
xl
nn
txy
(t t)
tG
ny
yF
yF
nn





















, (3.3)
где
1
n
 – сумма факторов, определяемых взаимодействующими тепловы-
ми штампами (от первого до n-го); t(х, у) – температура грунта в любой
точке с координатами х и у, если центр координат поместить в центр край-
него штампа, °С; tn – температура каждого штампа, °С; Fn – термическое
сопротивление слоя отходов на дне штампа, м
2
/° С·ч/ккал; Bn – ширина ка-
ждого штампа, м; ln – расстояние от начала координат до центра каждого
штампа, м.
Среднемесячные значения температуры воздуха, скорости ветра
и других параметров для Ирокиндинского района приведены в табл. 3.1.
Температура грунтов ниже 12 ÷ 14 м составляет – 4,4 ÷ – 5,8 °С. Основание
хвостохранилища представлено льдистым суглинком и трещиноватыми
скальными породами, трещины которых частично заполнены льдом. Рас-
четные теплофизические характеристики грунтов представлены в табл. 3.2 .
Среднегодовая температура хвостов на дне накопителя равна 6,7 °С.
Таблица 3.1
Среднемесячные значения температуры воздуха,
скорости ветра и относительной влажности воздуха
Значения
I II IIIIVVVIVIIVIIIIXX XIXII
Температура возду-
ха, °С
–29,2 –23,9 –14,9 –3,8 2,2 11,4 15,0 11,8 3,5 –4,4 –19,2 –28,8
Скорость ветра, м/с 2,3 2,4 2,3 3,0 2,9 1,9 1,6 1,7 2,1 2,2 2,6 2,0
Таблица 3.2
Расчетные теплофизические характеристики грунтов
Наименование грунта
Плотность, кг/м
Влаж-
ность,
ед
Теплопроводность,
ккал/м·ч·°С
Теплоем-
кость,
ккал/м
3
·°С
общая ρ скелета ρd W
λм
λт
См Ст
Суглинок льдонасыщенный 1680
1210
0,39 1,65
1,55
505 740
Трещиноватые скальные
породы
1920
1720
0,11 1,40
1,25
430 515

Г л а в а 3. Способы обеспечения устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне
46
3.2. Глубинное охлаждение и замораживание грунтов
Охлаждение пластичномёрзлых грунтов производят с целью пре-
вращения их в твердомерзлые и, соответственно, повышения их прочности
и снижения деформационных свойств. Замораживание талых грунтов осу-
ществляется с целью создания однородных мерзлотных условий на строи-
тельной площадке путем промораживания таликов, а также создания мерз-
лых конструктивных элементов в сооружениях мерзлого типа (например
плотинах).
Охлаждение (замораживание) осуществляется естественным (с по-
мощью воздушных колонок и термосифонов) и искусственным (с помощью
холодильных машин) холодом. Охлаждение (замораживание) в первом
случае ведется только в зимний период, во втором – всесезонно. Охлажде-
ние производится через скважины, в которые опускают замораживающие
колонки. Пространство между стенкой скважины и колонкой заполняется
сухим песком или местным грунтом. При охлаждении массива грунта
скважины располагаются в шахматном порядке. Глубина скважины при-
нимается на 1 м больше требуемой глубины охлаждения.
В процессе охлаждения ведется контроль за температурным режимом
грунтов. Процесс охлаждения (замораживания) считается законченным
при достижении отрицательной температуры на 1 oС ниже расчетной по
всей глубине охлаждаемой зоны.
Воздушное охлаждение осуществляется через замораживающую ко-
лонку, погружаемую в скважину (рис. 3.6). Теплосъем 1 м
2
поверхности
колонки обычно составляет 130–140 Вт. Колонка состоит из двух коакси-
альных труб. По первой схеме во внешнюю трубу за счет разряжения, соз-
даваемого вентилятором, поступает холодный зимний воздух, который
отсасывается через внутреннюю трубу. По второй схеме воздух поступает
во внутреннюю трубу и отводится по кольцевому пространству. Система
вентилирования рассчитывается таким образом, чтобы скорость движения
воздуха в кольцевом пространстве была не менее 2–5 м/с.
Вместо внешней трубы колонки можно использовать саму скважину.
Для этого на поверхность грунта устанавливают щит со скрепленной с ним
трубой диаметром 120–200 мм и всасывающим патрубком. Скорость воз-
духа в трубе принимается 10–12 м/с, а в кольцевом пространстве между
ней и стенкой скважины – не менее 2–5 м/с. Такая скорость обеспечивает
вынос пылеватых частиц, попадающих в воздушный поток со стенок сква-
жины, а также снега, поступающего в воздуховод во время метелей.
Внутренняя труба колонки (или труба, опускаемая в скважину)
подключается к воздуховоду, ведущему к общему вентилятору, или непо-
средственно к индивидуальному вентилятору, расположенному рядом

3.2 . Глубинное охлаждение и замораживание грунтов
47
со скважиной. Вентиляторы подключаются так, чтобы охлаждающая сис-
тема работала на разрежение (рис. 3.7).
а
б
Рис. 3.6. Охлаждение (замораживание) грунтов воздушными установками:
а – колонками; б – трубами; 1 – скважина, 2 – колонка, 3 – грунт,
4 – песчаная засыпка, 5 – отсасывающая труба, 6 – входной патрубок с крышкой
Недостатком рассматриваемого способа являются необходимость
применения мощных вентиляторов, электрооборудования, а также посто-
янного присутствия обслуживающего персонала и существенные энергоза-
траты. Поскольку система сообщается с атмосферой, то при понижении
температуры воздуха на внутренних поверхностях труб образуется кон-
денсат и затем слой льда на стенках колонки, уменьшающий ее проходное
сечение. Со временем этот слой увеличивается и трансформируется в ле-
дяную пробку, выводящую систему из строя (рис. 3.8).
Охлаждение термосифонами. Термосифоны являются закрытой
охлаждающей системой (не сообщающейся с атмосферным воздухом), и ее
работоспособность не зависит от метелей и оттепелей. Она работает за
счет низких температур атмосферного воздуха в зимнее время и не требует
энергетических затрат. В простейшем варианте термосифоны представляют
собой герметичную трубу, заполненную хладагентом.
Различают жидкостные термосифоны (керосин, фреон-30) и паро-
жидкостные термосифоны (аммиак, фреон-12, фреон-22, пропан – бутан)
(рис. 3.9 и 3.10). По холодопроизводительности первые уступают вторым.
Теплосъем с 1 м
2
погруженной в грунт трубы жидкостного термосифона
обычно составляет 40–60 Вт, парожидкостного – 80–115 Вт. Эффектив-
ность работы термосифонов зависит также от соотношения поверхностей

Г л а в а 3. Способы обеспечения устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне
48
надземного и подземного теплообменников. Обычно оно принимается
в пределах от 1,0 до 1,5. Дальнейшее развитие поверхности надземной части
существенного эффекта не дает, но значительно увеличивает материало-
емкость конструкции.
Рис. 3.7. Замораживающая система с принудительной циркуляци-
ей холодного воздуха (мерзлотная плотина на реке Сытыкан,
Республика Саха–Якутия, фото В. В. Сергиевского)
Охлаждение стенок термосифона осуществляется за счет конвекции
хладоносителя в зимнее время в результате разной температуры и, соот-
ветственно, разной плотности хладоносителя в верхней и нижней частях
трубы.

3.2 . Глубинное охлаждение и замораживание грунтов
49
Глубина охлаждения грунтов жидкостными термосифонами в про-
мышленном и гражданском строительстве обычно составляет 6–8 м. Из-
вестен положительный опыт охлаждения грунтов в гидротехническом
строительстве при глубине мерзлотной завесы до 25 м (рис. 3.11). Для при-
ведения в действие жидкостного термосифона требуется разность температур
между атмосферным воздухом и грунтом 3–4 °С. Применяется также при-
нудительная циркуляция жидкого хладоносителя, охлаждаемого воздухом
в надземном теплообменнике (рис. 3.12 и 3.13).
Рис. 3.8. Замораживающая система с принудительной циркуляцией холодного воздуха
мерзлотной платины на реке Ирелях, Республика Саха–Якутия
(до реконструкции, фото Г. И. Кузнецова)
Парожидкостные термосифоны отличаются от жидкостных тем, что
конвекция хладагента в них происходит с фазовыми превращениями, со-
провождающимися поглощением тепла из грунта и передачей его в атмо-
сферу. В зимнее время жидкий хладагент, находящийся в подземной части
установки (подземный теплообменник), испаряется и в виде пара поднима-
ется в верхнюю надземную часть (надземный теплообменник), где под
действием низких отрицательных температур атмосферного воздуха кон-
денсируется и в виде тонкой пленки стекает по внутренней стенке термо-

Г л а в а 3. Способы обеспечения устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне
50
сифона к его дну, где вновь испаряется. Цикл испарение – конденсация
продолжается непрерывно до тех пор, пока температура подземной части
(испарителя) будет выше температуры надземной части (конденсатора).
Если температура испарителя станет ниже температуры конденсатора, то
конденсации паров хладагента не происходит и цикл прерывается, т. е .
термосифон автоматически отключается. Это наблюдается в теплый период,
а также во время зимних оттепелей.
а
б
в
г
Рис. 3.9. Жидкостные термосифоны: а – однотрубная установка; б – двухтрубная
установка Гапеева; в – установка со струеразделительной вставкой фирмы «Термо-
Дайнемик»; г – установка с радиатором
а
б
в
г
Рис. 3.10. Парожидкостные термосифоны: а – термосифон Лонга; б – криоанкер фирмы
«Макдонелл–Дуглас»; в – установка ЛТИХПа; г – установка СО НИИОСПа

3.2 . Глубинное охлаждение и замораживание грунтов
51
Рис. 3.11. Жидкостные термосифоны на гребне Иреляхской плотины
после реконструкции и частичного восстановления мерзлотной завесы
(фото С. Н. Долгих)

Г л а в а 3. Способы обеспечения устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне
52
Рис. 3.12. Установка жидкостных термосифонов в ядре мерзлотной плотины
(Магаданская обл., фото Г. И. Кузнецова)

3.2 . Глубинное охлаждение и замораживание грунтов
53
Рис. 3.13. Мерзлотная плотина на ручье Карамкен (Магаданская обл.).
Система с принудительной циркуляцией жидкого хладоносителя,
охлаждаемого вентилятором (фото Г. И. Кузнецова)

Г л а в а 3. Способы обеспечения устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне
54
Гидродинамическое сопротивление в раздельно движущихся потоках
восходящего пара и нисходящей жидкой пленки незначительны, а силы,
обусловливающие их движение (гравитация, перепад давлений), достаточно
велики, поэтому для приведения в действие термосифона требуется пере-
пад температур между грунтом и атмосферным воздухом не более 1°С.
Глубина подземной части парожидкостных термосифонов обычно состав-
ляет 15 м.
Охлаждение грунтов холодильными машинами. Машинное охлажде-
ние, как правило, осуществляется аммиачно-рассольными установками
(рис. 3.14).
Рис. 3.14. Охлаждение (замораживание) грунтов холодильными машинами:
1 – скважина; 2 – колонка; 3 – грунт; 4 – песчаная засыпка; 5 – распредели-
тельная линия; 6 – рассол; 7 – наос; 8 – аммиачная холодильная машина
Глубина охлаждения ограничивается только конструктивными
особенностями холодильной машины. Холодопроизводительность (тепло-
съем) составляет 250–500 Вт на 1 м
2
колонки. Охлаждение грунта осуще-
ствляется за счет прокачки через колонки рассола, охлажденного в холо-
дильной машине до температуры – 20... – 40 °С.

3.3 . Расчет глубинного охлаждения (замораживания) грунта
55
3.3. Расчет глубинного
охлаждения (замораживания) грунта
Методика расчета радиуса охлаждения грунта вокруг замораживаю-
щей колонки мало зависит от способа охлаждения (воздушные колонки,
термосифоны, холодильные машины) и осуществляется по номограммам
[5, 7]. Для определения радиуса охлаждения следует использовать выра-
жение
rf=arp,
(3.4)
где rf – радиус охлаждения, м; rp – внешний радиус замораживающей ко-
лонки, м; a – безразмерный параметр, определяемый по номограмме на
рис. 3.15 в зависимости от значений безразмерных параметров b, M, Ha, ко-
торые определяются по формулам
(λ /)
fpi
n
br
R

,
(3.5)
для охлаждения
0
f
fin
TT
M
TT



,
(3.6)
0
2
0
λ()
ρ
f
inf
a
pd
w
TTt
H
rLw


,
(3.7)
для замораживания
0
λ()
λ()
th
bf
fbf
in
TT
M
TT



,
(3.8)
На
,
,
(3.9)
где in
R – внутреннее термическое сопротивление колонки теплообмену,
м
2
°С/Вт, определяемое для парожидкостных термосифонов по формуле
(3.10), для воздушных и рассольных установок – по формуле (3.11), для
жидкостных термосифонов – по формуле (3.12); λth , λ f – теплопровод-
ность грунта в мерзлом и талом состояниях, Вт/(м °С); bf
T – температура
начала замерзания грунта, °С; fT – максимальная температура грунта
в твердомерзлом состоянии, °С; 0T – начальная температура грунта у по-
дошвы слоя с годовыми теплооборотами, °С; in
T – средняя по длине колон-
ки температура рабочего тела (°С), принимаемая для парожидкостных тер-
мосифонов равной средней за период его работы отрицательной температуре
наружного воздуха ( ,
air t
T ) + 1 °С, для жидкостных термосифонов – + 4 °С,

Глава
56
для во
темпер
лажден
чете н
или та
ние не
В
м
2
°С/В
3. Способы
оздушных
ратуре ра
ния, ч; L0
на единиц
алого грун
езамёрзше
Р
или о
Внутренн
Вт, опред
обеспечения
х установ
ассола в п
0 – удельн
цу массы,
нта, кг/м
3
;
ей воды п
ис. 3.15. Но
оттаивания
нее терм
деляемое
я устойчивост
ок–+3°
подающей
ная тепло
, 93 Вт·ч/
; tot
w –су
при темпе
омограмма
я вокруг ве
или и
мическое
для парож
ти зданий и с
С, для ра
й магистр
та фазовы
/кг; ,
ρdth
уммарная
ературе 0T
а для расче
ертикально
источника
сопроти
жидкостн
сооружений в
ассольных
рали; ft –
ых превра
ρd–пло
влажност
0
T.
та радиуса
го цилиндр
тепла
ивление
ных термо
криолитозон
х установ
–
продолж
ащений в
отность ск
ть грунта;
а охлаждени
рического с
колонки
осифонов
не
вок – равн
жительнос
вода – лед
келета ме
;w
w –сод
ия
стока
теплоо
в по форм
ной Тр,
сть ох-
дврас-
ерзлого
держа-
бмену,
муле

3.3 . Расчет глубинного охлаждения (замораживания) грунта
57
α
e
in
out c
S
R
S

,
(3.10)
для воздушных и рассольных установок по формуле
1
α
in
in
R
,
(3.11)
1
αα
e
in
out c
in
S
R
S

,
(3.12)
где αout
–
коэффициент теплообмена между наружным воздухом и поверх-
ностью конденсатора парожидкостного термосифона Вт/(м
2
°С), опреде-
ляемый по данным табл. 3.3; αin
–
коэффициент теплообмена между рабо-
чим телом и внутренней поверхностью колонки, принимаемый для жидко-
го рабочего тела 116 Вт/(м
2
°С), для газообразного – 25 Вт/(м
2
°С); eS ,
c
S–
площади поверхности испарителя и конденсатора термосифона, м
2
.
Таблица 3.3
Значения αout для стальных гладких (числитель) и оребренных (знаменатель) труб
конденсатора термосифона, Вт/(м
2
С)
Радиус трубы конденсатора,
мм
Скорость ветра, м/с
0
2
4
6
8
17,0
6,9/8,7 21,0/24,4 33,0/37,1 45,0/48,7 55,0/59,2
22,0
6,5/9,2 20,0/24,4 31,0/38,3 42,0/49,9 51,0/60,3
28,5
6,0/11,0 17,0/30,2 29,0/47,6 38,0/61,5 48,0/74,2
36,5
5,3/11,2 16,0/30,2 27,0/47,6 36,0/61,5 44,0/74,2
44,5
4,9/10,3 15,0/26,7 26,0/41,8 34,0/54,5 41,0/65,0
54,0
4,4/8,2 15,0/23,2 24,0/36,0 31,0/47,6 38,0/56,8
63,5
4,1/11,8 14,0/33,6 23,0/53,4 30,0/68,4 37,0/83,5
73,0
3,6/10,6 14,0/29,0 22,0/45,2 29,0/59,2 36,0/71,9
84,0
3,4/10,0 13,0/25,5 21,0/39,4 28,0/52,2 35,0/62,6
Для воздушных и рассольных установок дополнительно определяет-
ся необходимый расход воздуха или рассола, подаваемого к колонке, по
формуле
2
,
,
1,2πfpv
ap
wb
f
rlL
G
CT
t





,
(3.13)
где ,
ap
G – необходимый расход воздуха или рассола, м
3
/ч; pl – длина под-
земной части колонки, м; vL – количество тепла, отводимого при охлажде-
нии и замораживании 1 м
3
грунта, Втч/м
3
;,
wb
C – объемная теплоемкость

Г л а в а 3. Способы обеспечения устойчивости зданий и сооружений в криолитозоне
58
рабочего тела, принимаемая для воздуха равной 0,39, для рассола – 957
Втч/(м
3
°С); Т – разность температуры на входе и выходе из колонки,
принимаемая для воздуха 6 °С, для рассола 2 °С.
Количество тепла, отводимого при охлаждении, определяют по фор-
муле
0,
ρ
vd
f
w
LLw

,
(3.14)
при замораживании
0,
ρ
v
dth tot
LLw

.
(3.15)
Необходимая производительность холодильной станции (кВт) вы-
числяется по формуле
0, 0012 /
vf
П
LVt

,
(3.16)
где V – объем охлаждаемого грунта.
В случае многослойного основания все грунтовые характеристики
определяются в интервале глубин от дневной поверхности до уровня по-
гружения замораживающей колонки. Осреднение определяют по формуле
1
1
1n
ii
n
i
i
i
A
Ah
h




,
(3.17)
где А – осредненное значение грунтовой характеристики; iA – значение
грунтовой характеристики в i-ом слое; ih – мощность i-го слоя; n – число
слоев в интервале осреднения.
Контрольные вопросы и задания
1. Какие принципы использования мерзлых грунтов в качестве осно-
ваний сооружений применяют при строительстве в криолитозоне?
2. Назовите способы укрепления мерзлых и оттаивающих оснований
зданий и сооружений.
3. Как выполняют расчеты замораживающих систем?
4. Какой способ регулирования глубины чаши оттаивания под бас-
сейном или накопителем промотходов предложен в СФУ?

4.1 . Способы прокладки сетей
59
Глава4
НАРУЖНЫЕ САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СЕТИ
И МАГИСТРАЛЬНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
4.1. Способы прокладки сетей
При проектировании наружных санитарно-технических коммуника-
ций решают три задачи: обеспечение устойчивости трубопроводов; предо-
хранение транспортируемой жидкости от замерзания; предохранение
от оттаивания вечномерзлых оснований зданий и сооружений. Решение
этих задач достигается правильной трассировкой трубопроводов с учетом
мерзлотно-геологических условий̧ выбора способа их прокладки и специ-
альных мероприятий по предохранению транспортируемой жидкости от
замерзания и уменьшению теплового воздействия трубопроводов на со-
седние сооружения [7].
Трассировка наружных сетей выполняется совместно с планировкой
застройки. При этом по одной трассе укладывают максимальное число
трубопроводов различного назначения, что позволяет сократить число
домовых присоединений и обеспечивает незамерзаемость водопровода
и канализации за счет утилизации тепла, выделяемого теплопроводами.
В черте жилой застройки межквартальные сети обычно прокладывают по
улицам, внутриквартальные – по техническим этажам, вентилируемым
подпольям зданий и надфундаментным конструкциям. В черте промыш-
ленной застройки для прокладки напорных сетей максимально используют
надфундаментные конструкции зданий и сооружений, ограждения и эста-
кады.
Известны три способа прокладки трубопроводов: надземный, наземный
и подземный. Считается, что если в основании трубопровода не происхо-
дит многолетнего оттаивания ВМГ (сезонное оттаивание допускается), то
грунты основания используются по принципу 1, а если оттаивание допус-
кается – по принципу 2. Отсюда следует, что принцип 1 используется при
надземной прокладке и подземной в вентилируемом канале, а принцип 2 –
при наземной и подземной в невентилируемом канале.
Надземная прокладка труб осуществляется в холодных подпольях
и технических этажах зданий (рис. 4.1, а). Под трубопроводами в этом
случае устраивают лотки для отвода аварийных сбросов за контур здания.
Напорные трубопроводы (теплосеть, водопровод, трубопровод горячего

Глава
60
водосн
констр
враще
приме
(рис. 4
то, что
пешех
П
такой
4. Наружны
набжения
рукциям
нияихт
еняют так
4.1, б–г).
о она соз
ходов.
Рис. 4.
каций
носкел
2–кан
сбора
скользя
ный ко
При надз
прокладк
ые санитарно-
я), кроме
зданий и
теплового
же призм
Недостат
здает опр
. 1 . Надземн
в вентилир
летного гру
нализация;
и отвода а
ящая опор
ороб;10–г
земной пр
ке полнос
-технические
того, пр
и сооруже
о воздейст
мы из круп
тком тако
ределенны
ная прокла
руемом под
унта (б, в)
3 – водопр
аварийных
а;8–круп
городковая
рокладке
стью искл
сети и магис
рокладыва
ений на в
твия на г
пноскелет
ой прокл
ые трудно
а
б
в
г
адка санита
дполье зда
и на город
ровод; 4 –
хвод;6–
пноскелетн
я опора
все труб
лючается
стральные тру
аютпоо
высоте, д
грунт. Пр
тного гру
ладки в ч
ости для
арно-техни
ания (а) на
дках (г): 1
теплопров
железобет
ный грунт;
бопроводы
тепловое
убопроводы
ограждени
достаточн
ри надзем
унта и гор
ерте заст
движени
ических ком
призмах и
–
электрок
вод;5–лот
тонная пли
9 – железо
ы теплои
е воздейс
иям, эста
ной для п
мной про
родковые
тройки яв
ия трансп
ммуни-
из круп-
кабели;
ток для
ита;7–
обетон-
изолирую
ствие тру
акадам,
предот-
кладке
опоры
вляется
порта и
т. При
убопро-

водов
долгов
Н
грунта
стройк
шие тр
П
разног
теплои
в непр
Размер
Г
мощно
лется о
Д
грунта
оттаив
ритель
Рис.
ивк
С
ствляе
ципу 2
по при
К
200 см
дуют п
лагают
ми,ав
таким
образо
в осно
на ВМГ,
вечность
Наземная
а, в канал
ки наземн
рудности
Подземна
го назнач
изоляции,
роходные
ры канала
Глубина
ости, сост
от 0,5 до
Для обес
ах необхо
вания, уст
ьное оттаи
. 4.2. Назем
канале (б):
5–желе
Совмеще
ется в одн
2,иливп
инципу 1.
Каналы и
м, высотой
приточны
т по длин
в некотор
образом
овавшегос
вании вен
, но повы
теплоизо
я проклад
лах с засы
ная прокл
для движ
ая прокла
чения вод
а теплоп
железоб
а зависят
заложени
тава и св
1,5 м (до
спечения
одимы за
тройство
ивание В
а
мная прокл
1 – глиноб
езобетонны
нная про
ной транш
проходном
изготовля
й верхней
ыми и вытя
не канала с
рых случа
м, чтобы
ся за лет
нтилируем
ышаются
ляции.
дка испол
ыпной изо
ладка при
жения тра
адка. Пр
допровод
проводы и
етонные
от диаме
ия трубоп
войств сло
верха тру
устойчив
амена эти
свайного
МГнату
ладка санит
бетон; 2 – тр
ый короб; 6
окладка тр
шее, если
м канале,
яют из сб
й секции 1
тяжными в
с шагом 1
аях – вент
в зимни
то вокруг
мого кана
теплопот
льзуется н
оляцией и
именяется
анспорта.
ри раздел
и канали
и трубопр
каналы с
етра труб.
проводов
оя сезонн
убы или к
вости тру
их грунто
о основан
у же глуби
тарно-техни
рубопрово
6 – подушка
рубопров
грунты о
вентилир
борных ж
160 см, ни
вентиляци
100–150 м
тиляторам
ий период
г канала о
ала происх
тери труб
непосред
и в насып
я редко, п
льной пр
изацию у
роводы го
с теплоиз
в приним
ного отта
канала).
убопрово
ов крупно
ния под т
ину.
ических ко
д;3–мест
а из крупно
водов раз
основания
руемом а
железобето
ижней – 18
ионными
м. Шахты
ми. Режи
д происх
ореола от
ходит тол
4.1 . Спо
бопровод
ственно п
пях (рис. 4
поскольк
рокладке
укладываю
орячего во
золяцией
мается в з
ивания и
одов в ль
оскелетны
трубопров
б
ммуникаци
ный грунт;
оскелетног
ного назн
я использ
атмосферн
онных де
80 см. Вс
шахтами,
снабжаю
м вентил
ходило пр
ттаивания
лько сезон
особы прокла
ов и сниж
по поверх
4.2); в че
у создает
трубопро
ютвгру
одоснабж
(рис. 4.3
зависимо
и обычно
ьдонасыщ
ыми на гл
вод или п
ий в насып
;4–одерно
го грунта
начения о
зуются по
ным возду
еталей ши
е каналы
, которые
ются дефле
ляции выб
роморажи
я. В резу
нное отта
дки сетей
61
жается
хности
ерте за-
т боль-
оводов
унт без
жения –
3, а–е).
сти от
колеб-
щенных
лубину
предва-
пи (а)
овка;
осуще-
о прин-
ухом –
ириной
обору-
распо-
ектора-
бирают
ивание
ультате
ивание

Г л а в а 4. Наружные санитарно-технические сети и магистральные трубопроводы
62
ВМГ. Причем глубина сезонного оттаивания под двухъярусными каналами
меньше, чем под одноярусными. Двухъярусный канал лучше вентилируется,
и в нем удобнее прокладывать канализацию с необходимыми уклонами.
а
б
в
г
д
е
Рис. 4.3. Подземная прокладка санитарно-технических сетей: а, б – раздельная про-
кладка в траншее соответственно водопровода и канализации; в – прокладка водо-
провода на свайном основании; г, д – совмещенная прокладка трубопроводов соот-
ветственно в одной траншее и в двухъярусном проходном канале, вентилируемом
атмосферным воздухом; е – схема вентиляции двухъярусного канала; 1 – водопро-
вод; 2 – местный грунт; 3 – глинобетон; 4 – крупноскелетный грунт, заменяющий
местный грунт; 5 – канализация; 6 – свайное основание; 7 – теплосеть; 8 – железобе-
тонный невентилируемый и непроходной канал; 9 – приточная вентиляционная шах-
та; 10 – вытяжная вентиляционная шахта; 11 – вентилируемый проходной двухъя-
русный канал; 12 – трубопровод горячего водоснабжения; 13 – бетонная подготовка;
14 – кабели электроснабжения и связи
Устойчивость вентилируемых каналов обеспечивается заменой льдона-
сыщенных грунтов в их основании крупноскелетными на глубину сезонного
оттаивания, устройством гидроизоляции из глинобетона, включая глино-
бетонные перемычки вдоль трассы канала, а также поддержанием низких
температур в канале и теплоизоляцией всех трубопроводов. В пучинистых
грунтах обратную засыпку траншеи, в которую установлен канал, проводят
непучинистым грунтом.

4.2 . Способы прокладки магистральных трубопроводов
63
4.2. Способы прокладки магистральных трубопроводов
По функциональной значимости магистральные газопроводы под-
разделяются на два класса, нефтепроводы – на четыре (СНиП 2.05 .06–95) [7].
К первому относятся трубопроводы с рабочим давлением от 2,5 до 10 МПа, ко
второму – от 1,2 до 2,5 МПа. Первый класс нефтепроводов объединяет
трубопроводы с трубами диаметром 1 000–1 200 мм, второй – 5 00 –1 000 мм,
третий – 300–500 мм, четвертый – менее 300 мм. Кроме того, участки
газо- и нефтепроводов по совокупности требований, предъявляемых к ка-
честву металла труб, сварки, запорной арматуры, подразделяются на пять
категорий: высшая (В), первая (I), вторая (II), третья (III) и четвертая (IV).
В районах распространения вечномерзлых грунтов участки четвертой ка-
тегории отсутствуют. Категория зависит от расположения трубопровода на
местности и по отношению к дневной поверхности земли: ниже дневной
поверхности (подземная прокладка), на дневной поверхности (наземная
прокладка) и выше дневной поверхности (надземная прокладка). Катего-
рии участков приведены в табл. 4.1 .
Таблица 4.1
Категории участков магистральных газо- и нефтепроводов
Участки
Газопровод
при прокладке
Нефтепровод
при прокладке
под-
земно
на-
земно
над-
земно
под-
земно
на-
земно
над-
земно
Линейный участок в районе распростране-
ния ВМГ с относительной осадкой при от-
таивании:
меньше 0,1
больше 0,1
III
II
III
II
III
II
III
II
III
II
Переходы через реки:
русло
пойма
I
II
–
–
I
II
I
I
–
–
I
I
Переходы через железные и атомобильные
дороги ( железные дороги общей сети, авто-
дороги I и II категории)
I
–
I
I
–
II
Подземные железные дороги
I
–
II
III
–
II
Автодороги III и IV категории
I
–
I
III
–
I
Пересечение с воздушными ЛЭП, кВт:
более 500
от 330 до 500
менее 330
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
–
–
–
Трубопроводы на территориях обслужи-
вающих их сооружений
B
B
B
I
I
I

Г л а в а 4. Наружные санитарно-технические сети и магистральные трубопроводы
64
По мере движения продукта по трубам и его трения о внутреннюю
поверхность труб, а также местных гидравлических сопротивлений рабо-
чее давление в трубопроводе падает. Для его восстановления устраивают
компрессорные и насосные станции, которые располагаются вдоль трассы
магистрального трубопровода. Первые – через каждые 100–150 км, вторые –
через 50–70 км. Насосные станции обычно совмещают с пунктами подог-
рева нефти. Компрессорные и насосные станции являются главными со-
оружениями, обслуживающими магистральный трубопровод. Кроме них
есть ряд других сооружений (устройства очистки, опорожнения, контроля,
аварийной остановки и др.), которые в совокупности со станциями обеспе-
чивают надежное функционирование магистрали.
В результате сжатия газа на компрессорной станции его температура
поднимается до 60–70 oС, далее, поступая в магистраль, он охлаждается
в результате теплообмена с окружающей средой и принимает температуру
наружного воздуха при надземной прокладке и температуру грунта при
подземной. Длина участка газопровода, на котором происходит охлажде-
ние газа, определяется способом прокладки и изменяется от 2 до 5 км.
Свойства газа мало зависят от температуры, поэтому технология его
транспортировки не предусматривает специальных мер по теплозащите
трубопроводов. Иная картина наблюдается на нефтепроводах. Нефть при
охлаждении увеличивает свою вязкость и требует больших затрат энергии
по ее перекачке. В силу этого технология транспортировки предусматривает
специальные меры по защите трубопроводов от излишнего (ниже 0 oС)
охлаждения продукта, что достигается теплоизоляцией нефтепроводов
и подогревом нефти на насосных станциях до температуры 40 oС.
Участки магистральных трубопроводов принято разделять по темпера-
туре транспортируемого продукта на горячие участки (температура продукта
в течение всего года положительная), теплые участки (только среднегодовая
температура продукта положительная) и холодные (среднегодовая темпера-
тура продукта отрицательная). К первым относятся нефтепроводы на всем
протяжении и газопроводы на небольшом протяжении после компрессор-
ных станций, ко вторым и третьим – только газопроводы. Холодные участ-
ки трубопроводов можно разделить на участки, где температура продукта
в течение всего года отрицательная, и участки, на которых отрицательной
бывает только среднегодовая температура продукта, но в определенные
периоды она принимает положительные значения. Поэтому температура
перекачиваемого продукта характеризует существенно различные тепловые
влияния трубопровода на грунты основания, особенно на формирование
сезонного или многолетнего ореола промерзания или оттаивания (рис. 4.4).
Выбор способа прокладки магистральных трубопроводов определя-
ется типами участка и местности (табл. 4.2, 4.3).

4.2 . Способы прокладки магистральных трубопроводов
65
а
б
в
г
Рис. 4.4. Схемы теплового взаимодействия подземных тру-
бопроводов с грунтами при соотношениях среднегодовой
Тpr, минимальной Тmin и максимальной Тmax температур газа:
а)Тpr0
о
С; Тmin 0
о
С;Тmax0
о
С;б)Тpr0
о
С;Тmin0
о
С;
в)Тpr0
о
С;Тmах0
о
С;г)Тpr0
о
С;Тmах0
о
С: 1 – вечно-
мерзлый грунт; 2 – сезоннопромерзающий грунт; 3 – талый
грунт. Области распространения вечномерзлых (I) и талых (II)
грунтов

Г л а в а 4. Наружные санитарно-технические сети и магистральные трубопроводы
66
Подземный способ прокладки обеспечивает лучшую защиту труб
от разрушений в результате возможных взрывов, защищает трубопровод от
лесных пожаров, сводит к минимуму экологические последствия аварий,
не затрудняет миграцию диких животных, не создает препятствий для
обеспечения стока поверхностных вод. Использование сдерживается тем,
что при подземной прокладке горячего трубопровода вокруг труб образу-
ются большие ореолы оттаивания, а грунт в основании труб проседает,
деформируя трубопровод. Для обеспечения его устойчивости в этих усло-
виях требуются дорогостоящие технические мероприятия. Кроме того,
в результате оттаивания происходит осадка дневной поверхности, что при
наличии высокольдистых грунтов или подземного льда может привести
к термокарсту. В силу этого подземная прокладка горячего трубопровода
на многолетнемерзлых грунтах сливающегося типа, как правило, не при-
меняется. С другой стороны, при подземной прокладке холодного трубо-
провода вокруг труб образуется ореол промерзания.
Таблица 4.2
Классификация местности применительно к трубопроводному строительству
Тип участка
по сложности
строительства
Характеристика участка
Величина отно-
сительного сжа-
тия ВМГ при
оттаивании
Тип ме-
стности
Нормальный
Хорошо дренированные участки террас и
гряды, сложенные малольдистыми супе-
сями и песками, мерзлота несливающаяся
0,00–0,01
IV
Нормальный
Различного вида болота, мерзлота несли-
вающаяся. Кровля ВМГ глубже 8 – 10 м
0,00–0,01
III
Сложный
Тундра и лесотундра, местность плохо
дренированная, сложена льдистыми суг-
линками и супесями, мерзлота сливаю-
щаяся
0,01–0,10
II
Особо сложный Бугристые и плоские торфяники и солиф-
люкционные склоны̧ грунты сильнольди-
стые, мерзлота сливающаяся
более 0,1
I
Таблица 4.3
Рекомендуемые способы прокладки магистральных трубопроводов
Тип участка
Тип местности
I
II
III
IV
Горячий
надземный
наземный
подземный
подземный
Теплый
наземный
подземный
подземный
и наземный
подземный
и наземный
Холодный
подземный
подземный
наземный
наземный

4.2 . Способы прокладки магистральных трубопроводов
67
Если ниже труб находится талый грунт, то трубопровод может быть
разрушен силами пучения. Поэтому подземная прокладка холодных трубо-
проводов на многолетнемерзлых грунтах несливающегося типа нежелательна.
Трассу трубопровода стараются выбирать таким образом, чтобы
пересечение водных препятствий, гор и болот было минимальным. Трубо-
провод прокладывают в обход мест проявления негативных мерзлотных
процессов (бугры пучения, участки оползней и солифлюкций).
Не допускается прокладывать магистральный трубопровод ближе
безопасных расстояний до некоторых инженерных сооружений (табл. 4 .4),
а также в тоннелях или по эстакадам других трубопроводов, или совместно
с электрокабелями.
Таблица 4.4
Минимальные расстояния (м) от сооружений
до оси ближайшей к ним нитки трубопровода
Сооружения
Газопровод класса Нефтепровод класса
1
2
1
2
3
Населенные пункты, промышленные и сель-
скохозяйственные предприятия, железнодо-
рожные станции, аэропорты, водные порты
350
125
200 150 100
Железные и автомобильные дороги (на пе-
регонах)
250
100
100
75 50
Мосты
250
125
200 150 100
Территории установок комплексной подго-
товки нефти и газа, сборных объектов про-
мыслов, газораспределительных станций
250
125
50
50 30
Используя рельеф местности, необходимо обеспечить уклоны труб:
для газопровода – не менее 0,003; для трубопроводов, транспортирующих
маловязкие и высоковязкие нефти, – соответственно не менее 0,002 и 0,02.
Ширина трассы трубопровода должна быть не меньше при одной
нитке–6м,придвух–12м,притрех–18м,причетырех–30м.Пересе-
чение трассы с искусственными и естественными препятствиями следует
производить под углом 60–90
о
.
При пересечении водных преград расстояние между нитками трубо-
проводов нужно принимать не менее 50 м. Если ширина водной преграды
превышает 70 м, то прокладывают резервную нитку. Переходы через реки,
как правило, устраивают ниже мостов и других сооружений.
Схемы и важнейшие конструктивные узлы при подземной, наземной
и надземной прокладках трубопроводов приведены на рис. 4.5.
Подземные трубопроводы проектируют без компенсации продольных
деформаций или с устройством подземных компенсационных участков.

Глава
68
В
непучи
с ВМГ
ляции
вают с
изоляц
бой, че
Рис.
ных
чих у
мест
грун
анке
П
жет пр
грунто
льдист
оттаив
плотно
Устой
нием т
П
провод
земны
4. Наружны
В пучини
инистым
Г сливающ
илисис
с двух сто
ция и тер
ем обеспе
а
г
4.5 . Схемы
и теплых у
участков в
тности II ти
нт;3–хому
ер;6–тепл
Потеря у
роисходи
овых вод
тых мерзл
вании пре
ости легк
чивость н
труб. В ка
При необ
дов на те
ые опоры
ые санитарно-
истых гр
грунтом
щегося ти
спользова
орон труб
рмосифон
ечивают д
ы подземно
участков н
в скальных
ипа;д–пол
ут для скре
оизоляция
стойчиво
ить также
д на учас
лых поро
вращаютс
ко всплыв
на всплыт
ачестве ан
бходимос
ерритория
в виде
-технические
унтах об
м. Теплые
ипа прокл
анием вер
бопровода
ны умень
допустим
ой проклад
а местност
и крупноо
лузаглубле
пления тру
;7–верхня
ости трубо
е в резул
стках с В
од на учас
ся во взве
вают не
тие обесп
нкера так
ти подзем
яхсВМГ
металлич
сети и магис
братная з
е участки
ладывают
ртикальны
а с шагом
шают глу
мые осадк
б
дки магист
тиIIIиIVт
обломочны
енная прокл
убопровода
яя граница
опровода
льтате его
ВМГ несл
стках сли
ешенную
только га
печиваетс
кже испол
мной про
Г сливающ
ческих и
стральные тру
асыпка т
и трубопр
т только с
ых термо
м 10–12 м
убину от
и трубопр
д
тральных т
типов; б –
х грунтах;
ладка:1–т
а к анкерам
аВМГ;8–т
а и прежд
о всплыт
ливающег
ивающего
массу, в к
азопровод
я или бал
льзуют тер
окладки г
щегося ти
железоб
убопроводы
траншей
роводов н
с примене
осифонов.
по длине
таивания
ровода.
трубопрово
холодных,
в,г –тепл
трубопрово
м;4–приво
термосифо
де всего г
тия при п
гося типа
ося типа.
которой и
ды,нои
лластом, и
рмосифон
горячих у
ипа трубы
бетонных
осуществ
на террит
ением теп
. Их уста
е трассы.
ВМГ по
в
одов:а–хо
теплых и
лых участк
од;2–мес
озной песок
оны
газопрово
подъеме у
а и оттаи
Последн
из-за ее бо
нефтепр
или заанк
ны.
участков
ы ставят н
свай, ко
вляется
ториях
плоизо-
анавли-
Тепло-
од тру-
олод-
горя-
ов на
стный
к;5–
ода мо-
уровня
ивания
ие при
ольшой
оводы.
керива-
трубо-
на под-
оторые

заклад
следне
Термо
Н
копере
земная
ванием
показа
ритори
из пен
Ри
б–
Т
теплои
трубоп
П
кажды
провод
кусств
венно
трассы
ных о
вает м
вести
трубоп
П
ключа
и анке
при вн
дополн
ственн
живот
дывают н
его приме
осифоны ч
Наземные
есеченны
я проклад
м труб гр
аны на ри
ияхсВМ
нополисти
ис. 4.6. Наз
без обвало
Также гор
изоляции
провода с
Пропуск
ые 300–50
ды оказы
венными
изменяя
ы. Главно
тложений
метелевый
к развити
провода.
Преимущ
аются в от
ерных уст
нешних у
нительно
ного сток
тных (в сл
ниже расч
еняют те
часто исп
е трубопр
ым рельеф
дка (тольк
унтом и б
ис. 4.6, 4.7
МГ сливаю
ирола.
а
земная прок
овки:1–тр
рячие уча
и термо
с шагом 1
поверхно
00мпри
ывают на В
источник
условия
ое из косв
й, скапли
й перенос
ию термо
щества на
тсутствии
тройств. К
ударных в
е косвенн
ка поверх
лучае про
четного о
плоизоля
пользуют
роводы о
фом или с
ко на хол
без нее. С
7. Горячи
ющегося т
кладка маг
рубопровод
астки тру
сифонов,
0–12 м по
остных во
помощи
ВМГ как
ками или
теплообм
венных в
ивающихс
с снега. В
окарста и
аземной п
и экскава
К недоста
воздейств
ное тепло
хностных
кладки тр
4.2 . Спо
ореола от
яцию труб
в качеств
обычно во
сильной з
лодных уч
Схемы наз
ие и теплы
типа тепл
гистральны
д;2–песча
убопровод
которые
о длине т
од через
и водопро
прямое т
стоками
мена на д
воздейств
ся возле т
В определ
и, как сле
прокладки
ции грун
аткам отн
виях, бол
овое возде
х вод, пр
руб без об
особы прокла
ттаивания
битерм
ве опор.
озводят н
заболочен
частках тр
земной пр
ые участк
лоизолиру
ых трубопро
аная подгот
дов прокл
е устанавл
рассы.
обваловк
опускных
тепловое
тепла, та
дневной
ий – отеп
трубопро
ленных ус
едствие, –
и по срав
нта по тра
носят таки
ьшие объ
ействие н
репятстви
бваловки)
адки магистра
я.Дляу
осифоны
на участка
нностью.
рубопров
рокладки
ки трубоп
уют с пом
б
оводов: а –
товка;3–м
ладывают
ливаются
ку осущес
труб. На
воздейств
ак и косв
поверхно
пляющее
овода, кот
словиях о
–
к дефор
внению с
ассе, балл
ие: меньш
ъемы заво
на ВМГ, и
иедлям
).
альных трубо
уменьшен
одновре
ах трассы
Существу
водов) с о
и трубопро
проводов н
мощью эк
–
в обваловк
местный гр
с примен
ясдвух
ствляется
аземные
вие, являя
венное, су
ости в пр
влияние
торый зад
оно може
рмациям
с подземн
ластировк
шую надеж
озимого г
изменени
миграции
опроводов
69
ия по-
менно.
ысрез-
ует на-
обвало-
оводов
на тер-
кранов
ке;
рунт
нением
сторон
я через
трубо-
ясь ис-
ущест-
ределах
е снеж-
держи-
ет при-
самого
ной за-
ки труб
жность
грунта,
ие есте-
диких

Г л а в а 4. Наружные санитарно-технические сети и магистральные трубопроводы
70
Надземные трубопроводы можно прокладывать всюду, кроме залив-
ных пойм, на которых есть ледоход. Трубы укладывают на отдельно стоя-
щие опоры, расположенные с шагом 20–60 м (шаг зависит от диаметра
трубы и определяется расчетом). Опорой считается металлическая или
железобетонная конструкция, расположенная между трубой и фундаментом.
Опоры могут быть в виде железобетонных плит, ригелей, рам и рамных
конструкций.
а
б
в
Рис. 4.7. Схемы наземной прокладки магистральных трубопроводов: а – холодных
и теплых участков; б – теплых участков; в – горячих участков: 1 – трубопровод;
2 – насыпь; 3 – резерв грунта для дополнительной отсыпки насыпи после стабили-
зации осадки; 4 – талый грунт основания насыпи; 5 – верхняя граница ВМГ; 6 –
мерзлый грунт основания насыпи; 7 – теплоизоляция; 8 – термосифоны
Конструкция опоры обычно предусматривает небольшую регулиров-
ку высотного положения трубопровода. Высоту опор над поверхностью
земли принимают от 0,25 до 1,5 м (низкие опоры) и от 4,5 до 5,5 м и более
(высокие опоры). Первые обычно располагают вне населенных мест, вто-
рые – в населенных местах и на участках переходов через транспортные
магистрали. Опоры подразделяются на неподвижные (мертвые), продоль-
но-подвижные (перемещение только по оси трубопровода), свободнопо-
движные (перемещение вдоль и поперек оси трубопровода) и качающиеся.
Последние три вида опор устраивают для компенсации температурных
деформаций труб, подвижность которых на этих опорах обеспечивается
специальными скользящими и другими устройствами.

4.2 . Способы прокладки магистральных трубопроводов
71
В качестве фундаментов под опоры применяют сваи и столбы (за-
глубленные фундаменты), грунтовые призмы, деревянные ряжи, клетки
и железобетонные короба, заполненные каменной наброской или грунтом
(поверхностные фундаменты).
Заглубленные фундаменты используют в основном для высоких
опор, поверхностные – для низких. На рис. 4.8 показаны основные виды
опор и фундаментов. Качающаяся рамная опора применяется лишь для
трубопроводов диаметром меньше 400 мм, расположенных в основном
в сейсмических районах.
а
б
в
Рис. 4.8. Схемы надземной прокладки магистральных трубопроводов на низких
(а), высоких (б) и качающихся (в) опорах: 1 – трубопровод; 2 – опора; 3 – призма
крупноскелетного грунта; 4 – оголовок сваи; 5 – свая; 6 – подвеска; 7 – прокладки
из бревен
Надземная прокладка трубопроводов обязательно предусматривает
компенсацию температурных деформаций труб. Для этого используется
прямолинейная прокладка труб с П-, Г- и Z-образными компенсационными
контурами, зигзагообразная прокладка и прямолинейная прокладка с не-
равномерным шагом опор.

Г л а в а 4. Наружные санитарно-технические сети и магистральные трубопроводы
72
Существенное преимущество надземной прокладки по сравнению
с остальными – доступность трубопровода осмотру и проведению профи-
лактических работ, что снижает вероятность аварий, а при их появлении
требует меньших затрат времени на ликвидацию. Очевидное преимущест-
во – малая зависимость от мерзлотно-геологических условий, поскольку
трубопровод не оказывает прямого теплового воздействия на ВМГ, а трубо-
провод на высоких опорах – и косвенного. Это также снижает вероятность
аварий. Кроме того, надземный трубопровод не препятствует естественному
стоку поверхностных вод, а трубопровод на высоких опорах – миграции
диких животных.
К недостаткам надземной прокладки можно отнести ее высокую стои-
мость, уязвимость при внешних ударных воздействиях и разрушение конст-
рукций нефтепроводов, а также загрязнение окружающей среды при авариях.
Поскольку надежность эксплуатации трубопроводов в суровых кли-
матических условиях и удаленность трасс часто влияют на выбор способа
их прокладки, то, несмотря на недостатки, надземные трубопроводы могут
оказаться предпочтительнее остальных.
Трубопроводы оказывают большое тепловое воздействие на грунты
основания, вызывая оттаивание мерзлых грунтов в пределах горячих и те-
плых участков и промерзание талых грунтов в пределах холодных участ-
ков. С этими процессами связаны осадки и пучение труб, что может стать
причиной их деформации. Поэтому прогноз промерзания – оттаивания
грунтов под влиянием трубопроводов и расчеты их прочности и устойчи-
вости будут основной частью обоснования экологической и общей техно-
сферной безопасности этих объектов.
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите основные задачи, решаемые при прокладке санитарно-
технических сетей на вечной мерзлоте.
2. Какие существуют основные способы прокладки сетей?
3. Приведите схемы прокладок сетей, рекомендуемые на промыш-
ленных территориях и в пределах населенных мест.
4. К каким последствиям приводит воздействие сетей на вечномерз-
лые грунты?
5. Назовите основные процессы взаимодействия трубопроводов
с вечной мерзлотой, экологические и другие последствия бесконтрольного
развития этих процессов.
6. Какие вы знаете безопасные способы прокладки трубопроводов
в криолитозоне? Приведите их схемы.
7. Какие конструкции опор трубопроводов применяются в отечест-
венной практике?

5.1 . Общие вопросы проектирования
73
Глава5
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
В КРИОЛИТОЗОНЕ
5.1. Общие вопросы проектирования
Рассмотрим конструктивно-технологические особенности плотин
и водосбросов, обусловленные климатическими, гидрогеологическими
и мерзлотными особенностями районов Крайнего Севера [3; 4; 6].
Гидрологический режим рек и ручьев, используемых для создания
водохранилищ на Крайнем Севере, отличается преимущественно поверх-
ностным питанием с бурными паводками, промерзанием до дна многих рек
и ручьев и перемерзанием подруслового талика, значительными потерями
объема водохранилища на льдообразование в период наибольшего дефи-
цита воды (толщина льда достигает 2 м).
Создание водохранилищ вносит существенные изменения в мерзлот-
ные условия ложа водохранилища, его берегов и нижнего бьефа. Эти из-
менения могут сопровождаться нарушением устойчивости оттаивающих
берегов водохранилища, вытаиванием погребенных льдов, всплыванием
затопленных участков растительного слоя и торфа.
При проектировании грунтовых плотин следует учитывать то, что
длительное воздействие низких отрицательных температур угрожает пуче-
нием грунтов основания у примыканий плотины к бортам и у ее подошвы,
образованием морозобойных трещин в плотине и в береговых примыкани-
ях, а также наледей в местах выхода на поверхность воды, фильтрующейся
через сооружения и в обход их.
При инженерных изысканиях в северных районах должны быть
выявлены солифлюкционные склоны и скорости их оползания, изменяю-
щиеся очертания берегов термокарстовых озер и других водоемов, направ-
ление и скорость их миграции, режим грунтовых вод – подмерзлотных,
межмерзлотных, надмерзлотных, особенности наледеобразования, про-
должительность и повторяемость морозных периодов и пурги, температура
воздуха и скорость ветра в эти периоды.
В створе гидроузла и на прилегающей территории, в частности
в ложе будущего водохранилища, должны быть определены:
● мощность и характер распространения вечной мерзлоты, темпера-
тура грунтов основания, глубина зоны сезонных колебаний температуры и
глубины сезонного оттаивания в разных грунтах;

Г л а в а 5. Гидротехнические сооружения в криолитозоне
74
● максимальная глубина залегания погребенных льдов, их виды
(клиновидный, пластовый), размеры и ориентация наиболее крупных из
них в плане и в разрезе вдоль напорного фронта гидроузла и в береговых
примыканиях;
● размеры и очертания подруслового талика и их сезонные изменения;
● степень трещиноватости коренных скальных пород, ее изменения
по глубине, характер напластования, углы падения и направления прости-
рания пластов, размеры трещин, их направления, состав и свойства запол-
нителя;
● льдистость и суммарная влажность грунтов основания;
● мощность растительного слоя;
● проявления пучения и морозобойного трещинообразования в грунтах
основания вблизи створа и береговых примыканий сооружений гидроузла;
● температурный и ледовый режим водотока, а также воды и дна
близлежащих озер, их сезонные изменения;
● наличие, особенности эксплуатации и температурный режим суще-
ствующих гидротехнических и других сооружений в районе проектируе-
мого водохранилища и в зоне его теплового влияния;
● физико-механические, фильтрационные и теплофизические харак-
теристики грунтов основания в мерзлом и переходном состоянии (угол
внутреннего трения, сцепления, сжимаемость, теплоемкость, тепло- и тем-
пературопроводность, показатели деформируемости и прочности скальных
пород);
● влажность и льдистость грунта в естественном состоянии, содер-
жание незамерзшей влаги в связных грунтах при различных отрицатель-
ных температурах, способность грунтов отдавать влагу при оттаивании,
границы спектра температур фазовых переходов грунтовой влаги, условия
возникновения и возможность развития фильтрации в мерзлых и оттаи-
вающих грунтах;
● сдвиговые характеристики на контакте талых и мерзлых грунтов
и коренных пород, а также при сдвиге по трещинам и ледяным прослойкам;
● относительные осадки пород основания после оттаивания, их изме-
нение по глубине и несущая способность грунтов в талом и переходном
состоянии.
В зоне затопления и на берегах будущего водохранилища необходимо
оценить:
● опасность ускорения солифлюкционного оползания берегов вслед-
ствие размывающего воздействия водохранилища;
● опасность вытаивания погребенных включений льда и термопроса-
дочность мерзлых грунтов в основаниях существующих сооружений в зоне
теплового воздействия водохранилища;

5.2 . Выбор типа плотины. Компоновка гидроузла
75
● осадку дна будущего водохранилища;
● опасность протаивания под действием водохранилища подземных
включений льда на водоразделах и прорыва водохранилища в соседние
бассейны.
5.2. Выбор типа плотины. Компоновка гидроузла
Выбор створа и типа плотины и компоновка гидроузла определяются
мерзлотно-инженерно-гидрогеологическими условиями створа, наличием
местных строительных материалов, прогнозом теплового влияния водо-
хранилища на мерзлоту и другими факторами.
Земляные и каменно-земляные плотины по принципу строительства
и температурному режиму тела и основания плотины подразделяются на
мерзлые и талые.
В мерзлых плотинах к моменту наполнения водохранилища цен-
тральная часть должна находиться в промороженном состоянии. Талая
плотина может воспринимать напор воды водохранилища, когда противо-
фильтрационные элементы находятся в талом состоянии. В мерзлых пло-
тинах фильтрация не допускается; в талых плотинах в большинстве случаев
допускается.
Плотины из местных материалов и водосбросы гидроузлов надлежит
проектировать по одному из двух принципов использования основания –
с сохранением его в мерзлом состоянии (принцип 1) и с допущением от-
таивания основания под противофильтрационным устройством плотины
(принцип 2).
При строительстве по принципу 1 в ряде случаев предусматривается
понижение температуры мерзлого основания путем дополнительного ох-
лаждения в зоне контакта с наиболее ответственной центральной частью
профиля плотины. При этом неизбежно происходит оттаивание основания
верхового клина, деформирование которого вследствие осадки оттаиваю-
щих грунтов не должно приводить к потере общей устойчивости сооруже-
ния.
При строительстве по принципу 2 допускаются повышение отрица-
тельных температур вечномерзлых грунтов основания и оттаивание осно-
вания в период эксплуатации под действием тепла водохранилища
и фильтрации.
По инженерно-мерзлотно-геологическим особенностям и чувстви-
тельности к изменениям природного температурно-влажностного режима
в зоне теплового влияния водохранилища можно выделить следующие типы
оснований:

Г л а в а 5. Гидротехнические сооружения в криолитозоне
76
а) прочные скальные основания, талые или мерзлые, в которых на-
рушение первичного криогенного строения мерзлой скалы и происходя-
щих в ней природных мерзлотных процессов не оказывает существенного
влияния на прочностные, деформационные и фильтрационные свойства
оттаивающего основания;
б) непросадочные нескальные основания, к которым относятся
нескальные талые грунты в пределах подруслового талика, сквозного или
замкнутого, окруженного плотным, нераспученным льдом, недеформи-
рующимися при оттаивании водоупорными мерзлыми породами;
в) просадочные льдистые скальные основания. К ним относятся
мерзлые скальные основания, характеризующиеся значительной трещино-
ватостью, льдонасыщенностью и пониженной прочностью в верхней
выветренной зоне. Изменение естественного температурного режима
и криогенного строения такой скалы сопровождается осадкой и увеличе-
нием водопроницаемости при оттаивании;
г) мерзлые рыхлые, высокольдистые отложения ограниченной мощ-
ности (по сравнению с высотой плотины), подстилаемые водоупорными
при оттаивании непросадочными породами;
д) мерзлые рыхлые, льдонасыщенные отложения значительной мощ-
ности (часто с крупными включениями подземного льда), характеризую-
щиеся существенной величиной осадки при оттаивании в сочетании с тер-
мокарстовыми процессами в зоне теплового влияния водохранилища при
резком снижении прочности и несущей способности оттаивающих грунтов.
Во всех случаях, когда после оттаивания основание остается доста-
точно надежным, следует проектировать талую плотину. Она проще в экс-
плуатации и, в отличие от мерзлой, не требует затрат на оборудование
и эксплуатацию охлаждающих устройств.
Талые плотины целесообразно проектировать на основаниях типа
«а» и «б». На основаниях типа «в», «г» и «д» применение талых плотин
требует сложного комплекса мероприятий по предварительному оттаи-
ванию и уплотнению или замене термопросадочных льдистых слоев ос-
нования.
Мерзлую плотину проектируют на мерзлом основании при его средней
температуре не выше минус 2 °С при условии, что трещины мерзлой скалы
полностью заполнены льдом или нефильтрующим грунтом (при мощности
подруслового талика до 10–15 м и при отсутствии слоев несцементирован-
ных льдом сыпуче-мерзлых рыхлых отложений); предварительное промо-
раживание и последующее поддерживание талика в мерзлом состоянии
является обязательным условием устойчивости мерзлой плотины.
Створ плотины должен быть расположен как можно ближе к объекту
водоснабжения и на достаточном удалении от источников загрязнения

5.3 . Плотины мерзлого типа (принцип 1)
77
в течение расчетного периода эксплуатации водохранилища (с учетом пер-
спективы хозяйственного освоения района).
При выборе створа гидроузла необходимо учитывать, что:
● солифлюкционные склоны после нарушения их естественного
температурного состояния характеризуются прогрессирующим течением
значительных масс оттаивающего грунта в водохранилище, что значительно
сокращает его объем и загрязняет воду;
● сооружения, расположенные на берегах водохранилища, могут де-
формироваться вследствие термоэрозионной переработки берегов, вытаива-
ния погребенного льда, значительной просадочности грунта при оттаивании
и ускорении солифлюкционных процессов после создания водохранилища.
Сочетание принципов 1 и 2 строительства в одном створе не реко-
мендуется.
При проектировании плотины мерзлого типа необходимо, чтобы во-
допроводящие устройства не пересекали тела плотины. При устройстве
водосбросных сооружений в обход плотины между ними и плотиной нужно
оставлять массив естественного мерзлого грунта длиной не менее 20 м,
защитив его от протаивания со стороны водосброса и верхнего бьефа.
5.3. Плотины мерзлого типа (принцип 1)
Мерзлые плотины позволяют максимально использовать мерзлотно-
грунтовые и климатические особенности районов Крайнего Севера, в част-
ности достаточно высокую несущую способность мерзлых грунтов и их
водоупорные свойства. Эксплуатация водохранилищ возможна без потерь
воды на фильтрацию, что особенно важно при строительстве плотин в рай-
онах с низким модулем поверхностного стока, например на мелких пере-
мерзающих водотоках.
Основными конструктивными элементами, определяющими проч-
ность и водонепроницаемость мерзлой плотины, являются искусственно
промороженные или сохраняемые в естественном состоянии мерзлые во-
донепроницаемые грунты, поры которых заполнены льдом. Зона постоян-
но мерзлого грунта занимает среднюю и низовую часть плотины, а зона
постоянно талого грунта – верховую часть. Водонепроницаемой преградой
и упором, воспринимающим давление воды, служат мерзлая низовая часть
и ядро плотины. Применение противофильтрационных экранов, распола-
гаемых в талом верховом клине, нецелесообразно, так как деформации
талой зоны при осадке оттаивающего основания могут быть причиной
опасных деформаций экрана. Верховую призму следует рассматривать как
теплоизоляцию, предохраняющую центральную мерзлую зону от оттаивания.

Г л а в а 5. Гидротехнические сооружения в криолитозоне
78
Мерзлое водонепроницаемое тело плотины может быть создано раз-
личными способами:
● искусственным промораживанием центральной части (ядра) и под-
руслового талика после возведения плотины на полную высоту перед
заполнением водохранилища с помощью воздушной замораживающей
системы или термосифонов, жидкостных или парожидкостных;
● послойным промораживанием талого грунта, укладываемого в пе-
риод низких отрицательных температур воздуха или уложенного в теплое
время, но промораживаемого в зимний период;
● комбинированным способом – послойным промораживанием тела
плотины после предварительного искусственного промораживания таликов;
● путем естественного промерзания плотины из талых грунтов под
действием отрицательных среднегодовых температур наружного воздуха
и вечной мерзлоты основания до заполнения водохранилища.
Сложные холодильные установки с жидкими хладоагентами могут
найти ограниченное применение в случае необходимости промораживания
фильтрующих таликов, для ускорения промерзания плотины, локального
термического укрепления мерзлой зоны в случае аварийного оттаивания на
отдельных участках напорного фронта.
Применение термосифонов рекомендуется только после опытной
проверки в натурных условиях холодопроизводительности и таких пара-
метров, как радиус мерзлого цилиндра, его температура, скорость промер-
зания.
При возведении мерзлой плотины с полным естественным промора-
живанием центральной части профиля до расчетных значений температур
предельное оттаивание верхового клина обычно не распространяется за
пределы вертикали, проведенной из точки уреза воды на профиле верхово-
го откоса, выполненного из слабофильтрующего грунта. Эту вертикаль
можно принять за условную границу талой и мерзлой зон профиля промо-
роженной плотины при среднегодовой температуре наружного воздуха,
не превышающей минус 8 °С, и температуре воды не выше плюс 4 °С.
Талик, развивающийся в ложе водохранилища при длительной его
эксплуатации (25 лет и более), при отсутствии фильтрации и термокарста
в породах, слагающих береговые склоны, как правило, не распространяет-
ся за указанную вертикаль.
Эффект естественного охлаждения плотины мерзлого типа усилива-
ется:
● при северной ориентации низового откоса;
● удалении снега с поверхности промерзающего низового откоса
и гребня в период устойчивых отрицательных температур наружного
воздуха;

5.3 . Плотины мерзлого типа (принцип 1)
79
● устройстве сезонных (
на весенне-летний период) покрытий
поверхности гребня и низового откоса из эффективных теплоизоляторов,
например из быстротвердеющей пены (перед наступлением устойчивых
морозов такое покрытие должно быть снято).
Наибольшую эффективность воздушных замораживающих систем
могут обеспечить следующие конструктивные особенности:
● диаметр внутренней трубы колонки должен быть вдвое меньше
внутреннего диаметра внешней трубы колонки;
● вход и выход воздуха из колонок осуществляется по подводящему
и отводящему воздуховодам;
● внутренняя труба и межтрубное пространство герметично соеди-
няются с воздуховодами;
● входное и выпускное отверстия воздуховодов оборудуют задвиж-
ками, прекращающими доступ воздуха в систему сразу после выключения
вентилятора, чем обеспечивается консервация системы на теплое время
года;
● предусматривают автоматическое включение системы при превы-
шении температуры наружного воздуха над температурой внутренней
поверхности внешней трубы колонки;
● на случаи недостаточного охлаждающего эффекта системы на от-
дельных участках плотины предусматривают возможность установки
и подключения к воздуховодам дополнительных колонок или термосифонов;
● для компенсации обрастания замораживающих колонок инеем мощ-
ность вентиляторов должна не менее чем вдвое превышать расчетную ве-
личину мощности, определенную для нормальных условий эксплуатации;
● вентилятор может быть установлен как на выпускном отверстии
отводящего воздуховода, так и на входном отверстии подводящего. Режим
работы вентилятора (нагнетание или всасывание) определяется в проекте;
● нагнетание холодного наружного воздуха в замораживающую ко-
лонку рекомендуется осуществлять по внутренней трубе, а отвод – по
кольцевому зазору между внешней и внутренней трубами колонки;
● внешнюю трубу колонки рекомендуется выполнять из стальных
или алюминиевых труб, а внутреннюю – из пластмассовых (для уменьше-
ния теплообмена между восходящим и нисходящим потоками воздуха
и для максимальной холодоотдачи от колонки в грунт). При этом необхо-
димо учитывать принятый способ прогревания колонок при ликвидации
ледяных пробок;
● каждая колонка должна быть оборудована приборами, измеряю-
щими скорость потока и температуру воздуха.
Рекомендуемые конструктивные схемы мерзлых плотин приведены
на рис. 5.1.

Г л а в а 5. Гидротехнические сооружения в криолитозоне
80
Центральную часть мерзлых плотин нужно возводить из плотно
уложенного талого связного грунта (суглинка или супеси), способного
удерживать в порах воду, необходимую для образования водонепроницае-
мого льдогрунтового ядра.
а
б
в
г
д
Рис. 5.1. Рекомендуемые конструктивные схемы мерзлых плотин: а – однородная
плотина из связного грунта, отсыпаемого в талом состоянии, без включений торфа
и мерзлых комьев; б – плотина с мерзлым ядром из связного грунта с верховой и ни-
зовой упорными призмами из любых талых грунтов; в – то же, с включениями мерз-
лых комьев в теле верхового клина; г – каменно-земляная плотина с мерзлым ядром
из связного грунта и верховой теплоизолирующей призмой; д – каменно-земляная
плотина с мерзлым ядром из связного грунта, верховой призмой из любых местных
грунтов и с низовой набросной призмой (стрелками показано направление естест-
венной зимней конвекции воздуха в наброске); 1 – вечномерзлое основание (верхний
слой – просадочный льдонасыщеиный грунт); 2 – мерзлое ядро из связного грунта;
3 – замораживающие колонки мерзлотной завесы; 4 – защитный слой из песка, пес-
чано-гравелистого или дресвяно-щебенистого грунта; 5 – выравнивающий слой,
снижающий естественную конвекцию в наброске; 6 – низовая упорная призма; 7 –
верховая упорная призма; 8 – включения мерзлых комьев; 9 – переходная зона; 10 –
верховая теплоизолирующая призма; 11 – низовая набросная призма; 12 – верховая
призма; 13 – переходная зона
Для усиления теплоизолирующего влияния верховой призмы мерзлое
ядро плотины располагают на достаточном удалении от верхнего бьефа.

5.3 . Плотины мерзлого типа (принцип 1)
81
Для увеличения теплозащитного эффекта верховой призмы устраивают
широкие бермы или уполаживают верховой откос. Уширением верховой
призмы обеспечивается и устойчивость плотины при неизбежном оттаива-
нии термопросадочного основания под верховым клином.
Естественные талики под средней частью профиля мерзлой плотины
и низовой упорной призмой должны быть предварительно, до заполнения
водохранилища, проморожены. Талик под верховой призмой, учитывая его
неизбежное оттаивание в период эксплуатации, может быть сохранен.
Грунты, укладываемые в верховой клин мерзлой плотины, который
в условиях эксплуатации будет талым, должны обладать достаточной со-
противляемостью сдвигу после оттаивания и консолидации, а деформи-
руемость этих грунтов должна находиться в пределах, обеспечивающих
монолитность талой части профиля плотины при оттаивании и просадках
грунтов основания.
Для обеспечения водонепроницаемости мерзлых зон и термической
устойчивости плотины средняя температура мерзлого ядра и охлаждаемых
вечномерзлых грунтов основания и береговых примыканий к моменту за-
полнения водохранилища должна быть на 1,5 °С ниже температуры фазо-
вых переходов влаги в этих грунтах.
Центральную промороженную зону мерзлой плотины выполняют
полностью монолитной и водонепроницаемой; наличие в ней трещин
и пустот, а также зон сыпучемерзлых грунтов с неполным заполнением
пор текстурообразующим льдом недопустимо. Этим требованиям отвечает
грунт с влажностью, близкой к его полной влагоемкости, при оптималь-
ной плотности укладки.
Мерзлое ядро должно постоянно составлять сплошную противо-
фильтрационную преграду, смыкающуюся с вечномерзлым основанием.
Производительность охлаждающих систем и расстояния между заморажи-
вающими колонками (термосифонами), создающими за время их работы
необходимый запас холода в плотине, определяются по формулам,
приведенным в гл. 4.
Примыкание мерзлой плотины к бортам долины должно осуществ-
ляться так, чтобы мерзлая зона тела плотины надежно смыкалась с вечно-
мерзлыми грунтами бортов.
Вытаивание подземных льдов следует считать одной из главных причин
разрушающей сосредоточенной фильтрации по термокарстовым полостям
и опасных деформаций мерзлых плотин. При проектировании и строительстве
мерзлых плотин на рыхлых отложениях, вмещающих ледяные линзы и клино-
видные льды, нужно учитывать процессы вытаивания крупных ледяных
включений в основании и в береговых примыканиях талого верхового клина
плотины, а также в пределах теплового влияния водохранилища.

Г л а в а 5. Гидротехнические сооружения в криолитозоне
82
Сопрягают противофильтрационные элементы мерзлой плотины (ядра,
диафрагмы, мерзлотные завесы) с высокольдистыми грунтами береговых
склонов путем врезки этих элементов до малопросадочных водоупорных
вечномерзлых пород. В берегах противофильтрационный элемент либо
должен быть продолжен за прогнозируемую границу переработки льдона-
сыщенных берегов, либо эти берега защитают от переработки конструк-
тивными элементами.
Высокольдистые грунты для уменьшения осадок и деформаций вер-
ховой призмы мерзлой плотины рекомендуется предварительно оттаивать
или заменять талыми уплотненными грунтами в зоне расчетного оттаивания.
Заполненные водой понижения в нижнем бьефе вблизи подошвы низо-
вого откоса мерзлой плотины недопустимы. Появляющуюся здесь вследствие
таяния снега и наледей воду необходимо удалять от подошвы плотины.
Гребень, низовой откос и надводная часть верхового откоса мерзлой
плотины подвержены переменному замерзанию и оттаиванию. Для пре-
дотвращения пучения, морозобойного трещинообразования и солифлюк-
ционных сплывов на низовом откосе слой сезонного промерзания и оттаи-
вания нужно отсыпать песчаными, гравелистыми и щебенистыми грунтами.
Крутизну верхового откоса мерзлой плотины определяют с учетом
полной величины осадки основания верхового клина.
5.4. Талые плотины (принцип 2)
Все требования, предъявляемые действующими нормативными
документами к плотинам из грунтовых материалов в зоне умеренного кли-
мата, являются обязательными и для талых плотин в условиях Крайнего
Севера. Здесь могут применяться следующие конструктивные схемы талых
плотин (рис. 5.2–5.4):
● однородные фильтрующие плотины из связного или несвязного
грунта с обязательным устройством внутреннего утепленного дренажа
и защитного слоя, предотвращающего морозное пучение, трещинообразо-
вание и солифлюкционно-оползневые явления в слое сезонного промерза-
ния – оттаивания на гребне, низовом откосе и надводной части верхового
откоса. Этот тип плотины рекомендован при непросадочных основаниях
типа «а» и «б», достаточно водоупорных после оттаивания;
● плотины с глиняным центральным ядром, экраном или верховой
призмой из глинистого грунта и упорными призмами из несвязных грунтов
или каменной наброски. Возведение таких плотин допускается на непроса-
дочных основаниях и на просадочных основаниях ограниченной мощности
при обязательном выполнении предпостроечного оттаивания термопроса-
дочного слоя;

Рис. 5
ховой
водоу
стого
фрагм
местн
рующ
8–зу
или э
Рис. 5
каменн
3–теп
ния теп
ственн
5.2 . Схемы
й водоупор
упор, непро
о грунта, пр
ма;4–пес
ных грунто
щего грунта
уб из глини
экран из гли
.3 . Принци
но-набросн
плозащитн
плозащитн
ной зимней
талых плот
рной призм
осадочный п
росадочног
счаная обсы
ов;6–дре
а;7–защи
истого грун
инистого гр
ипиальная
ной плотин
ный слой; 4
ного слоя (с
конвекции
а
б
тин с жестк
мой или э
при оттаив
го при отт
ыпка;5–у
енирующий
итный слой
нта;9–вер
рунта
схема теп
е с ядром:
4 – границ
стрелками
и в низовой
кой диафра
экраном (б
ании;2–с
таивании; 3
упорные пр
йслойизм
й из непучи
рховая водо
плозащитно
1 – талое
ца максима
показано н
й призме)
5.4 . Талы
агмой (а) и
б):1–мер
лой высоко
3 – жесткая
ризмы из л
местного ф
инистого гр
оупорная п
ого слоя в
ядро;2–д
ального про
направлени
е плотины (п
с вер-
рзлый
ольди-
я диа-
любых
фильт-
рунта;
призма
в талой
дренаж;
омерза-
ие есте-
ринцип 2)
83

Г л а в а 5. Гидротехнические сооружения в криолитозоне
84
а
б
в
г
Рис. 5.4 . Рекомендуемые конструктивные схемы нефильтрующих плотин талого типа
с гибкими противофильтрационными элементами из полимерных пленок: а – одно-
родная плотина с центральной диафрагмой; б – плотина с центральной диафрагмой,
располагаемой в защитном песчаном ядре; в – плотина с центральной диафрагмой
и внутренним понуром; г – плотина с внутренним наклонным экраном и понуром:
1 – вечномерзлый водоупор, непросадочный при оттаивании; 2 – льдонасыщенный
просадочный при оттаивании слой основания; 3 – гибкая волнистая диафрагма из
полимерной пленки; 4 – гибкий понур; 5 – защитное ядро из песка или песчано-
гравийной смеси с окатанными зернами; 6 – защитный слой из песчаного или песчано-
гравелистого грунта; 7 – тело плотины из песчаного (песчано-гравелистого) грунта;
8 – верховая и низовая упорные призмы; 9 –дренирующий слой из крупнозернистых
грунтов; 10 – защитный слой из разнозернистого несвязного грунта; 11 – зуб из суг-
линка; 12 – зона предпостроечного оттаивания слоя высокольдистого грунта

5.4 . Талые плотины (принцип 2)
85
● плотины с жесткой центральной диафрагмой, которая прочно заде-
лана в основание, не испытывающее деформаций и обладающее свойствами
водоупора после оттаивания. Необходимым конструктивным элементом
такой плотины следует считать песчаное ядро, предохраняющее диафрагму
от повреждения при осадках упорных призм;
● каменно-земляные плотины с ядром или экраном из связного грунта
с обязательным устройством теплозащитных слоев из любых местных не-
пучинистых грунтов (кроме торфа), предохраняющих верхнюю часть ядра
(экрана), от пучения и морозобойного трещинообразования и обеспечи-
вающих нормальную работу внутреннего дренажа при охлаждении низовой
каменно-набросной призмы (вследствие естественной конвекции холодно-
го воздуха в зимнее время);
● плотины с гибкими противофильтрационными устройствами из
полимерных материалов, защищенных от резких колебаний температур
теплоизолирующей пригрузкой гребня непучинистыми грунтами.
Применение гибких противофильтрационных элементов из поли-
мерных пленок рекомендуется в плотинах на основаниях типа «а», «б» при
обязательном оттаивании грунтов или удалении поверхностного слоя
льдонасыщенного грунта из основания диафрагмы. Допускается естест-
венное оттаивание этого слоя в основании верхового и низового клина при
эксплуатации плотины; при этом для восприятия осадок оттаивающего ос-
нования и предохранения диафрагмы от деформаций верховой и низовой
призм необходима отсыпка защитных песчаных зон.
Плотины с пленочными противофильтрационными элементами наи-
более целесообразны при отсутствии качественных глинистых грунтов,
а также при наличии таких грунтов, когда их переход из льдонасыщенного
в переувлажненное талое состояние существенно осложняет технологию
заготовки, отсыпки и уплотнения, особенно в условиях дождливого лета.
Для защиты пленочного противофильтрационного устройства от по-
вреждений рекомендуется укладывать подстилающий слой толщиной не
менее 0,3 м и защитный слой (толщиной не менее 0,5 м) из песка или пес-
чано-гравийной смеси. В подстилающий слой допускается укладывать
грунт из окатанных частиц не более 6 мм, а в защитный – не крупнее
40 мм. Надежной работе пленочного экрана способствует свободная (без
натяжения) укладка пленки на подстилающие слои. На контакте с пленкой
недопустимо наличие смерзшихся комьев и крупных частиц щебня.
Противофильтрационные устройства не должны попадать в зону
знакопеременных температур. Сезонное промерзание–оттаивание допуска-
ется только в пределах теплозащитного слоя на гребне и низовом откосе,
предохраняющего противофильтрационные устройства и другие элементы
тела плотины от возникновения опасных криогенных процессов – пучения,
морозобойных трещин и солифлюкционно-оползневых явлений.

Г л а в а 5. Гидротехнические сооружения в криолитозоне
86
Сопряжение с основанием противофильтрационных устройств из гли-
нистых грунтов может быть выполнено с помощью глинистого зуба, состав-
ляющего нижнюю часть ядра, экрана или верховой водоупорной призмы,
а также инъекционной завесы. Для сопряжения с основанием жесткой диа-
фрагмы, гибкой центральной диафрагмы и внутреннего понура из полимер-
ной пленки зуб должен быть выполнен из плотно уложенных суглинка или
глины. Глубина заделки глинистого зуба (замка завесы) в плотную скалу или
непросадочный водоупорный слой должна быть не менее 1 м.
Для уменьшения деформаций талой плотины рекомендуется:
● предварительное оттаивание и уплотнение термопросадочного
льдонасыщенного слоя основания;
● комбинированное оттаивание, включающее период интенсивного
предпостроечного оттаивания и естественное завершение процесса оттаи-
вания в первые годы эксплуатации плотины при тепловом воздействии воды
и фильтрации.
При проектировании плотин на мощной толще рыхлых грунтов или
трещиноватой скалы, водопроницаемость которых резко возрастает при
оттаивании, рекомендуется использовать устройство противофильтраци-
онной завесы после искусственного предварительного оттаивания основа-
ния до расчетной глубины протаивания основания. Допускается постепен-
ная (послойная) инъекционная завеса основания по мере его естественного
оттаивания в первые несколько лет эксплуатации водохранилища. Для это-
го необходимы постоянные наблюдения за температурами пород основа-
ния и динамикой их оттаивания.
Зуб и инъекционная завеса должны перерезать все породы основа-
ния, включающие просадочные грунты, породы с трещинами, заполнен-
ными фильтрующим материалом или льдом, а также нескальные грунты,
включающие прожилки льда и органические остатки.
Толщина ядра, возводимого из щебенистого суглинка со значитель-
ным содержанием пылеватых частиц, должна составлять не менее 0,25Н
(Н – максимальный расчетный напор воды на плотину).
Использование в качестве водоупора мерзлой трещиноватой скалы
без специальной подготовки основания допускается в том случае, если ее
трещины заполнены глинистым грунтом или объем трещин настолько мал,
что при вытаивании трещинного льда водопроницаемость породы возрас-
тает незначительно и нет опасности размыва грунтового противофильтра-
ционного элемента по контакту с трещиной. Если это требование нельзя
выполнить, то необходимо предусмотреть цементацию или другое проти-
вофильтрационное уплотнение оттаивающей зоны основания.
Если система трещин скального основания непосредственно соеди-
няется с верхним бьефом, то для уменьшения фильтрации после заполне-

5.4 . Талые плотины (принцип 2)
87
ния водохранилища можно делать отсыпку в воду суглинка, включая
и мерзлый, для образования понура при частичной кольматации поверхно-
стной трещиноватой зоны. Выходы трещин на поверхность в пределах
низовой призмы рекомендуется защитить слоем обратного фильтра для
предотвращения суффозии в оттаивающем основании.
Гребень экрана (ядра) плотины должен быть защищен от образова-
ния морозобойных трещин слоем песчано-гравийного или щебенистого
грунта. Минимальная толщина этого слоя равняется глубине его сезонного
промерзания. При проектировании плотин с напором выше 10 м необхо-
димая толщина и конструкция защитного слоя уточняются на опытных
площадках.
Конструкцию и размеры берегового сопрягающего противофильтра-
ционного устройства определяют прогнозом оттаивания берегового склона,
развития обходной фильтрации, а также развития термокарста и береговой
термоабразии на льдистых участках бортов долины вблизи примыкания
плотины и других сооружений гидроузла. При соответствующем технико-
экономическом обосновании допускаются предпостроечное оттаивание
и уплотнение или замена неустойчивых при оттаивании льдонасыщенных
грунтов на участках береговых примыканий.
При проектировании талой плотины на основании, характеризую-
щемся значительной величиной осадки при оттаивании, рекомендуется
предварительное оттаивание с уплотнением или замена грунта в верхнем,
наиболее льдонасыщенном слое. При естественном оттаивании высоколь-
дистого основания конструкция профиля плотины должна быть приспо-
соблена к восприятию медленно развивающихся деформаций оттаивающе-
го основания. При проектировании талой плотины на мерзлом сновании,
не испытывающем значительной осадки при оттаивании, следует ориенти-
роваться на естественное оттаивание вечномерзлых грунтов, завершаю-
щееся в начальный период эксплуатации плотины.
Предварительное оттаивание просадочного основания ограниченной
мощности может быть выполнено путем временного заполнения водохра-
нилища при недостроенной плотине, но полностью завершенных водо-
сбросных сооружениях. После затухания осадки оттаивающего основания
водохранилище опорожняется, производится заделка деформированных
участков тела плотины и завершается отсыпка ее полного профиля.
Необходимо предусматривать своевременную заделку трещин, которые
могут возникать в теле талой плотины в начальный период эксплуатации
вследствие осадки оттаивающих грунтов основания типа «в», «r». Реко-
мендуется обращать особое внимание на продольные трещины в теле вер-
хового откоса вдоль уреза воды и поперечные к оси сооружения трещины
в примыканиях талого тела плотины к мерзлым грунтам в бортах долины.

Глава
88
П
том ос
ритель
лотнен
Н
в боль
цессам
способ
фильтр
жений
цах гр
оттаив
Т
внутре
и внеш
чтобы
охлаж
должн
гающа
Р
перату
быть в
5. Гидротех
Превышен
садки отт
ьное отта
нным гли
Недостат
ьшинстве
ми оттаив
бы прове
ров тольк
й необход
рунта с пе
вания.
Толщина
еннего др
шнего нас
вода, вы
ждении от
на постоян
ая к дрена
Рис
Расчет дв
урного по
выполнен
хнические соо
ние гребн
таивающе
аивание и
инистым г
точная и
районов
ания и пр
ерки фил
ко для пл
димо спец
ервичной
теплоза
ренажа пл
слонного
ысачиваю
ткоса пло
нно сохра
ажу.
с. 5.5. Схем
вухмерно
оля под во
н по форм
оружения в кр
ня плотин
его основ
или замен
грунтом.
изученнос
Севера и
ромерзани
льтрацион
лотины вы
циальное
й криоген
ащитного
лотины с
дренажа
щаяся в
отины и
аняться та
ма к расчет
й задачи
одохрани
муле
риолитозоне
ны над НП
вания, есл
на льдон
сть фил
и изменен
ия, позвол
нной уст
ысотой 6–
фильтрац
нной текст
слоя, п
с низовой
а земляно
дренаж, н
низовой
алая зона
ту оттаиван
построен
илищем на
ПГ должн
ли не пре
насыщенн
ьтрацион
ие этих с
ляет реком
тойчивост
–8м.Для
ционное м
турой, из
предотвра
й призмой
ой плотин
не могла
призмы.
а толщино
ния ложа во
ния плоск
а вечноме
но быть ра
едусматри
ного слоя
нных сво
свойств, с
мендовать
тиипод
более зн
моделиро
зменяюще
ащающег
й из каме
ны, долж
замерзну
В тепло
ой не мен
одохранили
кого стац
ерзлом ос
ассчитано
ивается п
основан
ойств гр
связанное
ь общепри
дбор обр
начимых
ование на
ейся в пр
го проме
енной наб
жна быть
уть при з
озащитном
нее 0,5 м,
ища
ционарног
сновании
осуче-
предва-
ния уп-
рунтов
с про-
инятые
ратных
соору-
образ-
роцессе
ерзание
броски
такой,
зимнем
м слое
приле-
го тем-
может

5.5 . Водосбросные сооружения
89
г
вг
г
1
22
(,)
arctg
arctg
Т
y
М
BB
xx
txy
tt
tG
yy
















,
( 5.1)
где t(x, у) – искомая температура в любой точке области дна водохранили-
ща; tв – заданная среднегодовая температура подводной поверхности грун-
та, °С; tг – среднемноголетняя естественная температура мерзлоты, осред-
ненная по глубине от подошвы деятельного слоя до горизонта нулевых
амплитуд (обычно до глубины 15–20м); Gг
у – геотермический градиент,
град/м, принимаемый по справочным данным для района проектируемой
плотины (в большинстве районов вечной мерзлоты Gу = 0,02–0,03 град/м,
а в расчетах оттаивания дна до глубины 10–15 м может не учитываться).
Расчетная схема и положение нулевой изотермы, ограничивающей
чашу протаивания под водохранилищем, показаны на рис. 5.5.
5.5. Водосбросные сооружения
Водосбросные и водозаборные сооружения в составе гидроузла,
включающего в себя мерзлую плотину, следует располагать за пределами
плотины. Для устройства обходных водосбросов по типу открытого само-
регулирующегося водосбросного канала особенно трудны береговые терра-
сы, сложенные высокольдистыми просадочными грунтами, включающими
клиновидные или пластовые льды. В этом случае устройство такого канала
не рекомендуется. Для небольших расходов может быть устроен сифонный
водосброс, а для значительных паводковых расходов – лотковый поверх-
ностный водосброс, опирающийся с помощью свай на мерзлое тело плотины.
Водосбросы, пересекающие тело мерзлой плотины или опирающиеся
на поверхность ее промороженной части, теплоизолируют таким образом,
чтобы в периоды пропуска воды их отепляющее воздействие на плотину
было минимальным; нулевая изотерма не должна выходить за пределы
материала водосброса или теплоизоляции; местные утечки и фильтрация
через тело водосброса не допускаются. Толщина теплозащитного слоя оп-
ределяется теплотехническим расчетом (ориентировочно это 2–2,5 м).
Если трасса водосбросного канала проходит в пучинистых грунтах,
то под днищем и стенками канала укладывают теплозащитный слой непу-
чинистого грунта толщиной от 1,0 до 2,5 м. Если трасса водосброса может
быть проложена только по льдистому вечномерзлому основанию с круп-
ными ледяными включениями, его стенки и дно должны быть тепло-
и гидроизолированы. Одна из возможных конструкций водосбросного ка-
нала представлена на рис. 5.6. Экран из полиэтиленовой пленки является

Г л а в а 5. Гидротехнические сооружения в криолитозоне
90
надежной гидроизоляцией льдистого основания. Толщина дренажного за-
щитного слоя должна быть не менее 0,5 м. Для защиты льдистого основа-
ния от сезонного оттаивания предусматривается слой непучинистого грун-
та. Толщина этого слоя, определяемая расчетом, должна быть не менее 1 м.
Дренажный слой после окончания сброса воды необходимо осушать.
Пленочный экран или диафрагма плотины, пересекаемые водосбро-
сом или водоспуском, должны быть тщательно приклеены к ним по всему
контуру до форсированного подпорного горизонта (ФПГ). При конструи-
ровании сопряжения пленки и сооружения предусматривают возможность
их относительных смещений.
Рис. 5.6. Защита льдистого основания берегового водосброса от оттаивания:
1 – пленочный экран; 2 – защитно-дренажный гравийно-галечниковый слой;
3 – теплозащитный слой непучинистого грунта; 4 – льдистый грунт основания
Контрольные вопросы и задания
1. Какие природно-техногенные процессы развиваются при возведе-
нии плотин и водохранилищ в криолитозоне?
2. Как выбирается тип плотин?
3. Какие требования предъявляются к компоновке гидроузлов?
4. Приведите характеристику плотин мерзлого типа.
5. Назовите особенности плотин талого типа.
6. Как обеспечивается техносферная безопасность водосбросов
и плотин при неизбежной деградации вечной мерзлоты под водохрани-
лищем?

6.2 . Эксплуатация и натурные исследования накопителей
91
Глава6
НАКОПИТЕЛИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ
В ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
6.1. Общие сведения
Термин «накопители» объединяет класс многочисленных и разнооб-
разных по конструкции и режиму эксплуатации сооружений, общими при-
знаками которых являются их назначение (хранение твердых и жидких
промышленных отходов) и отрицательное влияние на экологию (загрязне-
ние поверхностных и подземных вод при фильтрации токсичных стоков,
переливах и разрушениях дамб, ветровая эрозия складируемых отходов
и загрязнение атмосферы и почвы, разрушение природных ландшафтов,
опасные криогенные процессы) [3].
Условно накопители можно разделить на четыре основные группы:
1) хвостохранилища обогатительных фабрик цветной и черной ме-
таллургии;
2) шламонакопители в различных отраслях промышленности – хи-
мической, металлургической, целлюлозно-бумажной;
3) золоотвалы тепловых электростанций;
4) отстойники промышленных стоков.
Наиболее опасны в экологическом отношении шламонакопители, так
как складируемые в них отходы относятся к наиболее токсичным и дли-
тельное время находятся в разжиженном состоянии, не образуя слоя плот-
ных отложений. В золоотвалах и особенно в хвостохранилищах золошлаки
и хвосты постепенно образуют слой плотных намывных отложений;
по мере наращивания мощности этого слоя происходит его консолидация
и возрастает фильтрационное сопротивление, т. е. даже при отсутствии
специальных экранов фильтрация может постепенно уменьшаться, а в от-
дельных случаях – практически прекращаться.
В шламонакопителях относительно слабо проявляется экранирую-
щий эффект неконсолидированного слоя шламов. Фильтрация, начавшаяся
через дамбу и незащищенное ложе, в большинстве случаев уменьшается
незначительно и может даже постепенно усиливаться с ростом уровня за-
полнения. Исключение составляют лишь те объекты, на которых происходит
кольматация ложа мельчайшими частицами шламов или выпадающими из
раствора химическими соединениями.

Г л а в а 6. Накопители промышленных отходов в зоне вечной мерзлоты
92
Из прочных зернистых отходов, складируемых в накопителях (хво-
сты, золошлаки), можно возводить первичные ограждающие дамбы, тепло-
и гидроизоляционные экраны, дамбы наращивания и другие конструктив-
ные элементы. При этом дамбы наращивания могут отсыпаться на ранее
намытый, уплотненный и дренированный массив отходов. Слабопрочные,
медленно консолидирующиеся шламы обычно не используют в качестве
основания и материала дамб наращивания. Соответственно хвостохрани-
лища и золоотвалы могут быть многоярусными, поэтапно наращиваемыми
сооружениями, тогда как шламонакопители чаще всего являются одно-
ярусными и возводятся на полную проектную высоту. Фильтрационные
утечки из накопителей талого типа возможны при любом способе экрани-
рования; их можно существенно уменьшить, но предотвратить весьма
сложно. Полное отсутствие фильтрации может быть достигнуто только
в накопителях мерзлого типа при промораживании противофильтрационно го
контура на всей длине напорного фронта. В отдельных случаях целесооб-
разно сохранение в естественном талике под мерзлой дамбой управляемого
фильтрационного потока, перехватываемого локальным незамерзающим
дренажом.
Накопители характеризуются непрерывным изменением во времени
конструктивных и технологических параметров – напора, контуров сооруже-
ния в плане, поперечных и продольных профилей и материала ограждающих
дамб, мощности слоя складируемых отходов, их физико-механических
свойств, рельефа дна и глубины отстойного пруда. Происходят также се-
зонные и многолетние изменения тепловых и фильтрационных парамет-
ров, определяющих сложные процессы тепломассообмена в системе атмо-
сфера–накопитель–основание.
6.2. Эксплуатация и натурные
исследования накопителей
Эксплуатация накопителей в криолитозоне существенно осложняет-
ся оттаиванием и деформациями вечномерзлых грунтов, глубоким сезон-
ным и многолетним промерзанием дамб, развитием наледей на участках
высачивания фильтрационных потоков, образованием и последующим
оттаиванием слоев льда‚ замытого в толще намывных отложений, дефор-
мациями откосов сложного криогенного строения и другими факторами.
Поэтому результаты длительных наблюдений за формированием фильтра-
ционно-теплового режима этих сооружений и результаты оценки тепловой,
статической и фильтрационной устойчивости таломерзлых намывных мас-
сивов представляют значительный научный и практический интерес. Ниже

6.2 . Эксплуатация и натурные исследования накопителей
93
рассмотрены характерные особенности формирования фильтрационно-
теплового режима дамб двух крупных хвостохранилищ, построенных
в Якутии и на Енисейском Севере.
Хвостохранилище No 1 расположено в долине ручья на сплошном
массиве вечномерзлых грунтов. Эксплуатация этого сооружения заверше-
на в 1994 г., его высота достигает 60 м. Внешняя упорная призма образо-
вана из вскрышных пород, а также хвостовых отложений пляжной зоны.
Эксплуатация сопровождалась оттаиванием основания дамбы и неравно-
мерными деформациями оттаивающих грунтов, глубоким (более 4 м)
сезонным и многолетним промерзанием фильтрующего откоса и, как след-
ствие, формированием сложного безнапорно-напорного режима фильтра-
ции. На участке высачивания фильтрационного потока, сосредоточенного
в пределах талика под руслом перекрытого дамбой ручья, ежегодно разви-
вались мощные наледи у подошвы дамбы, создающие местный подпор
и снижающие устойчивость низового откоса. В течение ряда лет на этом
сооружении не удавалось осуществить равномерный по всей длине дамбы
намыв пляжа достаточной ширины, что в сочетании со значительной водо-
проницаемостью каменной наброски также поспособствовало формирова-
нию постоянного фильтрационного потока. В хвостовых отложениях
пляжной зоны неоднократно наблюдалось образование и последующее от-
таивание слоев замытого льда, сопровождавшееся образованием термокарста
и сосредоточенной фильтрацией по карстовым провалам и полостям.
Температура мерзлых пород на глубине 8–30 м равна минус 5,6–6,2 °С,
мощность слоя сезонного оттаивания составляет 0,3–2,5 м. Коренные по-
роды представлены мерзлыми трещиноватыми известняками, мергелями,
доломитами и песчаниками с прослойками и гнездами льда в трещинах;
средняя льдистоть равна 0,19. До глубины 10–13 м они разбиты трещинами
до состояния щебня и мелких глыб; ниже трещиноватость заметно умень-
шается.
С поверхности коренные породы перекрыты мощным (до 6,4 м) сло-
ем щебенисто-галечниковых отложений и суглинков. Наиболее льдонасы-
щенными (льдистость – до 0,4 м и выше) являются суглинки.
В поверхностном слое выявлены тела погребенного льда мощностью
до 2,4 м. В интервале глубин от 6,4 до 10 м льдистость грунтов уменьшается
до 10–15 % и продолжает снижаться с глубиной. В талом состоянии суг-
линки приобретают текуче-пластичную консистенцию, а их коэффициент
фильтрации возрастает до 5 м/сут. Криогенная структура суглинка – слоистая,
слоисто-сетчатая с линзами льда толщиной до 15 см. Высокая льдистость
суглинка определяет значительную осадку при оттаивании. Льдистость
галечникового грунта достигает 0,4; толщина ледяных линз 5÷15 см; мак-
симальная относительная осадка при оттаивании – 0,44. Ниже залегает

Г л а в а 6. Накопители промышленных отходов в зоне вечной мерзлоты
94
галечниковый грунт мощностью от 2 до 12 м с незначительным содержа-
нием суглинистого заполнителя и, соответственно, с меньшей льдисто-
стью, равной 0,24; его относительная осадка при оттаивании не превышает
0,27. Максимальная мощность слоя этого грунта – в русле ручья, чем и оп-
ределяется наибольшая глубина оттаивания основания на этом участке.
Первичная дамба и дамбы наращивания отсыпаны вскрышными по-
родами известняка, мергеля, песчаника и доломита. Высота первичной
дамбы в русловом сечении равна 10 м, длина 800 м, ширина гребня 10 м;
заложение верхового откоса 1:3, низового – 1:2. Намыв хвостов на пляж
и наращивание из них внешней упорной призмы производились в теплый
период года при температуре воздуха выше минус 10 °С. В зимний период
при постоянном уровне воды в отстойном пруде складирование хвостов
осуществлялось из сосредоточенных незамерзающих выпусков под лед
и на борта чаши. При отступлениях от этой технологии в массиве отложе-
ний образовались мощные (до 2 м) слои замытого льда, что привело к раз-
витию термокарстовых воронок на пляже, Коэффициент фильтрации хво-
стовых отложений пляжа изменяется от 0,206 до 3,11 м/сут. Наблюдения
за тепловым и фильтрационным режимом дамбы выполнялись в период
с 1976 по 1994 г.
Значительное влияние на положение депрессионной кривой оказыва-
ет ширина пляжа. При его намыве на завершающей стадии эксплуатации
целесообразно обеспечивать ширину пляжа не менее 50 м.
Измерения температур происходили в наиболее характерные перио-
ды эксплуатации – в феврале, апреле, августе и ноябре. Измерения в апре-
ле характеризуют минимальную температуру грунтов; измерения в августе
учитывают влияние сезонного оттаивания.
Поперечное сечение дамбы приведено на рис. 6.1, где показаны ста-
бильное (среднее за 1986–1987 гг.) положение кривой депрессии и геотер-
мограммы, характеризующие тепловой режим.
Проектные решения и условия эксплуатации определили формиро-
вание ограждающей дамбы такого типа с замкнутыми талыми зонами
в бортовых примыканиях. Основная часть профиля дамбы находилась
в талом состоянии при относительно высоком положении депрессионной
кривой. Тепловой режим тела и основания внешней призмы определялся
влиянием постоянного фильтрационного потока при высокой водопрони-
цаемости дамбы.
Постоянная фильтрация и максимальная глубина оттаивания основа-
ния (до 12,5 м) отмечались в русловой части дамбы (створ II–II). На участ-
ках ее сопряжения с бортами долины фильтрация проявлялась менее ин-
тенсивно, что подтверждается как меньшей глубиной оттаивания основа-

6.2 . Эксплуатация и натурные исследования накопителей
95
ния, не превышающей 3 м, так и смыканием с мёрзлым основанием по-
верхностного мерзлого панциря, образовавшегося на низовом откосе.
Рис. 6.1. Фильтрационно-тепловой режим ограждающей дамбы хвостохранилища
No 1. Геотермограммы в створе I–I в начальной стадии промерзания зоны высачи-
вания (1989 г.), КД – кривая депрессии; ГП – глубина промерзания; БС – сохра-
няющийся буферный слой; ГО – граница зоны оттаивания в основании.
Важнейшим результатом наблюдений на этом объекте следует
считать вывод о том, что на участке постоянной фильтрации фильт-
рационно-тепловой режим дамбы благоприятен для устойчивости
промерзающего низового откоса. Даже при относительно высоком поло-
жении депрессионной поверхности мерзлый водонепроницаемый панцирь
отделен от нее «буферным» талым слоем, в котором не проявляются
фильтрационные силы, отрывающие мерзлый панцирь от основного мас-
сива откоса.
Исключение составляли локальные зоны у подошвы дамбы на участ-
ках ее бортовых примыканий, где поверхностный мерзлый панцирь при

Г л а в а 6. Накопители промышленных отходов в зоне вечной мерзлоты
96
отсутствии фильтрационного высачивания смыкается с вечномерзлым ос-
нованием. На таких участках маломощный фильтрационный поток дви-
жется уже не по нормали к оси дамбы, а стекает по поверхности мерзлого
борта к расположенному ниже подрусловому талику, служащему природ-
ной водосборной дреной. Отдельные слабые и разобщенные фильтрацион-
ные выходы на бортовых участках практически не влияли на общую кар-
тину фильтрации, в основном сосредоточенной в пределах заполненного
галечниковым грунтом подруслового талика.
Эти положения подтверждены наблюдениями, проведенными на
аналогичных объектах вплоть до 2012 г., и продолжаются в настоящее
время.
Хвостохранилище No 2 отличается тем, что его ограждающая дамба
высотой 45–56 м возведена методом намыва из мелкозернистых хвостов на
вечномерзлом основании. Температура супесчано-суглинистых отложений
минус 2–3 oС, криогенная текстура – слоисто-сетчатая, объемная льди-
стость 30–40 % иногда 90–100 %, тепловая осадка превышает 15 %.
Ширина пляжа при намыве составляет 50–100 м, местами имеет ук-
лон 1:20, среднее наложение намывного низового откоса 1:4.
Глубина отстойного пруда 3,5–5 м, средняя температура пульпы
в период намыва пляжа не превышает 15 °С.
Определяющее влияние на криогенные процессы и обусловленные
ими деформации в намывном массиве оказывали температурные, техноло-
гические и фильтрационные факторы. До 1966 г. выпуск пульпы произво-
дился на верховой и низовой откосы наращиваемой дамбы. Сброс хвостов
под лед впервые осуществлен зимой 1966–1967 гг. До 1967 г. в зимнее
время отстойный пруд покрывался слоем льда толщиной от 1 до 3 м и при
весьма малых глубинах (часто не более 3,0 м) пруд почти полностью про-
мерзал на значительной площади.
В теплое время года намороженный в пруде лед полностью не оттаи-
вал и замывался хвостами (рис. 6.2). Этими обстоятельствами объясняется
наличие в теле дамбы и в ложе пруда нескольких мощных слоев и линз
льда. Средняя суммарная мощность ледяных тел в целом составила 25 %
от общей мощности талых и мерзлых отложений. Толщина ледяных вклю-
чений составляла 25 % от высоты дамбы, достигая на отдельных пикетах
35 % (13,0 м). В среднем по чаше мощность ледяных тел составила 31 % от
общей мощности отложений. В отдельных скважинах суммарная мощ-
ность льда достигала 85 %. В основном пласты льда залегали в толще
мерзлых отложений, но в некоторых скважинах выявлены слои льда на
контакте с талыми грунтами при температурах, близких к 0 °С.
Выход пластов льда на поверхность низового откоса зафиксирован
на многих участках эрозионно-термокарстового разрушения. Многолетняя

6.2 . Эксплуатация и натурные исследования накопителей
97
консервация замытых ледяных тел есть признак стабильности теплового
режима промороженных зон. Локальные термокарстовые деформации
в этих зонах наблюдались на сравнительно незначительной площади пляжа
и низового откоса. В то же время на участке, где низовой откос был подто-
плен теплыми стоками, развивались опасные деформации (общее смеще-
ние откоса в сторону нижнего бьефа и продольные трещины на гребне),
являвшиеся следствием таяния льда или его вязкопластического течения
при повышении температуры.
Рис. 6.2. Выпуск пульпы на ледяной покров отстойного пруда и образование слоев
замытого льда в массиве хвостовых отложений
Профиль низового откоса, гребня и пляжа сформирован циклами
отсыпки дамб обвалования.
Рыхлая поверхность верхнего яруса откоса высотой 4–8 м не уплот-
нялась и легко ссыпалась. Откос этого яруса имел уклон 1:1, 1:0‚5. Естест-
венное выравнивание и уплотнение поверхности откоса происходило только
в нижней его части на тех участках, где этот процесс не осложнялся
фильтрационными и термокарстовыми деформациями. Поверхность
выровненной части откоса, образующей его нижний ярус, обычно имела
уклон от 1:5 до 1:10. Переход крутого верхнего рыхлого яруса в пологий
нижний ярус на большей части длины дамбы характеризовался наличием
рыхлого излома, в пределах которого активно развивались мерзлотные яв-

Г л а в а 6. Накопители промышленных отходов в зоне вечной мерзлоты
98
ления и деформации. Восстановительный намыв из более крупнозерни-
стых хвостов обеспечивал заложение откоса порядка 1:4–1:6. Плотный,
монолитный, не содержащий ледяных включений массив восстановленно-
го откоса был значительно более устойчив в отношении поверхностной
эрозии, чем рыхлый и крутой первоначальный откос.
Формирование мощных включений техногенных льдов и, соответствен-
но, сложное криогенное строение дамбы, тепломассообмен в промерзаю-
щих–оттаивающих отложениях и технологические факторы определяли
комплекс криогенных деформации, существенно снижавших устойчивость
хвостохранилища. Наиболее серьезное воздействие на фильтрационную
и статическую устойчивость низового откоса оказывали формы криогенных
процессов и деформаций, наблюдавшихся в период с 1967 по 1980 г.
1. Эрозионный размыв поверхности гребня и низового откоса, свя-
занный с недостатками технологии намыва, наблюдался повсеместно
и происходил вследствие утечек пульпы при намыве дамбы и при разрывах
пульпопроводов. Наиболее подверженным размыву был верхний крутой
ярус откоса. В меньшей степени данная форма размыва проявлялась на по-
логой, уплотнившейся поверхности нижнего яруса. Участки, намытые гид-
роциклонами из крупнозернистых хвостов, более устойчивы по отношению
к этой форме эрозии. При размыве оттаявших с поверхности отложений
образовались промоины шириной до 10 м и глубиной до 2 м или более уз-
кие вертикальные щели шириной до 1 м и глубиной до 3–4 м. Основными
мероприятиями по борьбе с данным типом эрозии являются:
● совершенствование технологии возведения дамб обвалования и тща-
тельный контроль за выпусками пульпы и деформациями пульпопроводов;
● своевременная и тщательная заделка эрозионных русел, в основном
при помощи восстановительного намыва из хвостов крупных фракций;
● создание необходимых уклонов на пляже, обеспечивающих бы-
строе его обезвоживание вблизи гребня дамбы.
2. Эрозионный размыв и местные обрушения низового откоса
(рис. 6.3 .) при вытаивании погребенных снежников. Мощные (до 4–5 м)
отложения снега на откосе и у подошвы его верхнего крутого яруса спо-
собствовали появлению своеобразной формы эрозии в сочетании с мест-
ными сплывами переувлажненных намывных отложений. Снежники обра-
зовывались по всей длине дамбы на уровне излома, разделяющего крутой
и пологий ярусы низового откоса, а также практически во всех имеющихся
к началу зимы промоинах и других провальных образованиях. К концу зимы
на поверхности снежников накапливался теплоизолирующий шлейф из
рыхлых хвостов, обязанный своим происхождением зимней ветровой эро-
зии (пылению), оплыванию и обрушению крутых рыхлых откосов над
снежниками. Благодаря теплоизолирующему эффекту шлейфа снежники

6.2 . Эксплуатация и натурные исследования накопителей
99
не вытаивали полностью в течение лета; снег пропитывался водой и пре-
вращался в особый вид погребенного льда. Вытаивание этих льдов в тече-
ние ряда лет приводило к образованию глубоких (до 3–5 м) воронок и эро-
зионных промоин с почти вертикальными стенками, являвшихся причиной
интенсивных местных сплывов откосов над ними.
Рис. 6.3. Эрозионный размыв откоса при вытаивании погребенных снежников
Медленное таяние снежников питало многочисленные ручьи, усили-
вавшие эрозию откоса. На участках деградации погребенных снежников
оплывающая поверхность откоса формировалась в виде ледяного козырька –
уступа высотой 0,5–1 м, с которого в течение всего лета стекали разжи-
женные хвосты и талые воды. Основными внешними индикаторами на-
чальной стадии процесса вытаивания снежников являлись многочисленные
воронки и столбчатое растрескивание всей поверхности шлейфа, прикры-
вавшего снежники.
3. Карстовые полости, наблюдавшиеся на глубине до 1 м под по-
верхностью низового откоса, возникали вследствие эрозионных процессов,
происходивших под мерзлой коркой сезоннопромерзающих отложений.
Эти полости формировались в виде узких промоин вдоль склона с очень
слабым сводом, обрушавшимся под действием собственного веса, оттаива-
ния и эрозии.

Г л а в а 6. Накопители промышленных отходов в зоне вечной мерзлоты
100
4. Правильные термокарстовые воронки (рис. 6.4) на поверхности
гребня и пляжа дамбы. Эти деформации служат индикаторами процесса
вышивания замытых пластов и линз льда под воздействием положитель-
ной температуры воды в пруде, не опускающейся ниже 3 °С, сезонного
оттаивания промороженного за зиму слоя хвостов на пляже и фильтрации
в талых зонах.
Рис. 6.4. Провальные термокарстовые воронки
Диаметр воронок достигал 10 м, глубина –2 м. Воронки были окру-
жены сетью концентрических трещин глубиной 0,5–1 м. В конце периода
сезонного оттаивания пляжа воронки достигали своего предельного разви-
тия, часто сливались между собой и образовывали на площади в несколько
десятков квадратных метров термокарстовый провальный рельеф пляжа.
На участках верхнего откоса, пораженных термокарстовыми процессами,
намывные отложения находились в разжиженном состоянии и были лишены
какой-либо структурной прочности.
5. Термокарстовые пещеры (рис. 6.5) на низовом откосе дамбы
образовывались при вытаивании пластов и линз льда и обрушении вме-
щающих его намывных отложений. Вытаивание льда происходило при се-
зонном оттаивании, фильтрации и эрозионном размыве хвостов на поверх-
ности откоса. Пещеры возникали в различных местах по длине дамбы на
любой ее высоте и являлись весьма опасной формой деформации, прони-
кая в толщу откоса на глубину до 5 м. Доступная для осмотра внешняя
часть пещер располагалась внутри или под слоем льда, образующего свод
и наружный торец пещеры. Окружающее пещеру обнажение образовывало
вертикальную ледяную стенку. Устье пещеры (диаметр 1,2–2 м) переходи-
ло в глубокое (до 2 м) эрозионное русло. Окружающие пещеру намывные
отложения были структурно неустойчивыми, постоянно оплывали и обва-

6.2 . Эксплуатация и натурные исследования накопителей
101
ливались в теплое время года. Потоки воды, вытекавшие из пещер, содер-
жали взвешенные частицы хвостов.
Рис. 6.5. Термокарстовые пещеры на низовом откосе
6. Фильтрационно-термокарстовые (термоэрозионные) воронки
(рис. 6.6) в зоне выхода напорного фильтрационного сосредоточенного по-
тока, круглые или овальные в плане, с отвесными, почти вертикальными
стенками, глубиной до 10–12 м и диаметром до 50 м формировались на ни-
зовом откосе практически на любой его высоте. В центре воронки был
небольшой гриффон или медленное высачивание. Нижний край воронки
полностью разрушался вытекавшим из нее потоком, создававшим вдоль
склона эрозионное русло. Наблюдались также серии воронок, расположенных
уступами вдоль склона. Возникновению воронки или очередному этапу
роста ее диаметра предшествовали плавное понижение поверхности откоса
на глубину 1÷2 м и появление системы глубоких вертикальных трещин,
образовавших концентрические окружности по периметру начавшегося
провала. Иногда развитие воронок и образование «цепочки» воронкооб-
разных провалов происходило вдоль продольной оси дамбы; наблюдалось
движение фильтрационного потока по уклону «цепочки» и высачивание
в центре каждой воронки. Смыкающиеся между собой воронки образовыва-
ли сплошную провальную террасу, рассекавшую дамбу на длине 50÷100 м.

Г л а в а 6. Накопители промышленных отходов в зоне вечной мерзлоты
102
Незамерзающие, постоянные в течение зимы выходы фильтрационных вод
служили причиной развития наледных процессов внутри воронок.
Рис. 6.6. Фильтрационно-термокарстовое разрушение намывного массива
низового откоса
7. Наледи и гидролакколиты (рис. 6.7) связаны с высачиванием
напорных фильтрационных вод на поверхность низового откоса по фильт-
рующим таликам.
В местах постоянных выходов напорных фильтрационных вод
в процессе сезонного промерзания поверхности откоса развивались нале-
ди, диаметр (или длина вдоль откоса) которых достигал 100÷130 м. Наледи
включали в себя плоские участки и бугры пучения – гидролакколиты, раз-
вивавшиеся непосредственно над сосредоточенными фильтрационными
выходами. До проведения восстановительного намыва гидролакколиты
располагались на уровне излома откоса и вблизи его подошвы. На тех уча-
стках, где была произведена отсыпка дренажной призмы, гидролакколиты
возникали непосредственно за призмой и далее по откосу, вплоть до его
нижней кромки в русле незамерзающего ручья, являвшегося естественным
постоянно действующим дренажом для талых фильтрующих зон дамбы.
Выше дренирующей отсыпки возникновение гидролакколитов не отмечалось.
Все гидролакколиты развивались в форме пологих куполов диаметром
до 10–15 м, высотой 3–5 м. Под действием напора воды, высачивающейся

6.2 . Эксплуатация и натурные исследования накопителей
103
в основании купола, и в процессе роста толщины льда в течение зимы гид-
ролакколиты рассекались трещинами, из которых высачивалась вода.
Рис. 6.7. Гидролакколиты у подошвы низового откоса дамбы
Многие трещины были заполнены выпученными снизу разжижен-
ными хвостами; некоторые бугры были рассечены трещинами на полную
высоту, а стенки трещин ориентированы вертикально; раскрытие трещин
достигало 1 ÷ 1,5 м. Повторные многолетние бугры имели слоистое строе-
ние купола; толщина отдельных слоев изменялась от 0,1 до 2 м. Встреча-
лись бугры, сложенные хвостами, без ледяных включений. По форме
и размерам эти бугры совпадали с ледяными, а в некоторых буграх под
слоем хвостов на глубине 0,7 м был замечен лед. По периметру многих
крупных бугров расползались мелкие ледяные купоны высотой до 0,6÷0,7 м
и диаметром 0,5÷0,8 м. В декабре – феврале, при наиболее низких темпе-
ратурах воздуха, наряду с растрескиванием ледяных куполов наблюдался
опаснейший вид деформации – взрыв с образованием отдельных глыб
и кусков льда, достигающих в поперечнике 2 м. При взрыве обломки льда
разлетались на расстояние до 100 м. В основании взорвавшихся гидролак-
колитов сохранялись незамерзающие выходы фильтрационных вод. По-
верхность откоса в основании взорвавшегося бугра представляла собой

Г л а в а 6. Накопители промышленных отходов в зоне вечной мерзлоты
104
кратер глубиной до 1 м, заполненный разжиженными хвостами, легко раз-
мываемыми и стекающими вниз по откосу в летнее время.
Несколько иной тип бугра пучения наблюдался в полости фильтра-
ционно-термоэрозионной воронки. В результате промерзания конуса хвостов,
вынесенных из толщи откоса сосредоточенным потоком, конус покрывал-
ся тонкой водонепроницаемой коркой. Под действием напора воды эта
корка разрушалась, на разрушенную поверхность конуса изливалась вода
и замерзала, прикрывая ледяной коркой пустоты в теле деформированного
конуса. Многократное образование‚ последующее разрушение и быстрое
восстановление ледяных и льдогрунтовых корок сопровождались ростом
бугра, под верхней куполообразной коркой которого наблюдались много-
численные мелкие гриффоны высачивающихся фильтрационных вод.
Структура бугра – рыхлая; тело его состояло из отдельных пластинок
мерзлых хвостов и льда. Это очень непрочное образование, легко разру-
шавшееся под действием напора на тонкую верхнюю корку. Расход выса-
чивавшегося потока был недостаточным для заполнения водой многочис-
ленных полостей, каверн и рыхлых напластований. Этими особенностями
генезиса и строения данный тип бугра пучения существенно отличается
от основной формы – льдогрунтового купола, рассекаемого глубокими
трещинами или уничтожаемого взрывом. Формирование этого пористого
гидролакколита не менее опасно для устойчивости дамбы.
Обилие гидролакколитов служило убедительным доказательством
наличия талых фильтрующих зон в теле дамбы. Устойчивость дамбы на
этих участках могла быть обеспечена при промораживании таликов или
устройстве местного незамерзающего дренажа. Для сравнения укажем, что
при эксплуатации других гидроотвалов на мерзлых основаниях, оттаива-
ние которых сопровождалось развитием интенсивной фильтрации по от-
таивающему слою, также формировались мощные многолетние поверхно-
стные наледи на низовом откосе и в нижнем бьефе вдоль фильтрующих
русловых таликов, являвшихся естественными дренажами. Высота подъе-
ма таких наледей по откосу достигала 15 м, толщина слоя льда – 10 м,
длина вдоль лога – до 2 км. Наледь в сочетании с сезонным промерзанием
создавала предпосылки для формирования напорного фильтрационного
потока в намывном массиве низового откоса. Давление этого потока
на нижнюю поверхность водоупорной мерзлой зоны (включающей в себя
и тело наледи) приводило к снижению устойчивости сооружения.
Деформации технологического, фильтрационного, термокарстового
происхождения вызывали повсеместную глубокую эрозию откоса на всем
его протяжении. Отдельные ручьи талых и фильтрационных вод, эрозион-
ные русла, промоины и полости различного генезиса, термокарстовые про-
вальные образования в совокупности определяли чрезвычайно сложный

6.2 . Эксплуатация и натурные исследования накопителей
105
и неустойчивый характер рельефа откоса. Даже его плотная пологая часть
и восстановленные участки подвергались повторным деформациям.
Аналогичное льдообразование в намывных отложениях и обуслов-
ленные им термокарстовые процессы происходили при эксплуатации ряда
других хвостохранилищ и золоотвалов. Вследствие несвоевременного на-
ращивания дамб и недостаточной для подледного складирования емкости
отстойных прудов допускался намыв пульпы на поверхность промерзаю-
щего пляжа и выпуск пульпы на ледяной покров пруда. При намыве пляжа
весной замывались не успевшие оттаять лед и сезонная мерзлота. В ре-
зультате на этих сооружениях также образовывались слои замытого льда
и льдистых намывных отложений. Вследствие теплоизолирующего эффек-
та слоя отложений, перекрывающего замытые мерзлые слои, они оттаива-
ли весьма медленно (хвостохранилище Коршуновского ГОК, золоотвал
Аркагалинской ГРЭС и др).
Наблюдениями за формированием теплового режима намывной дам-
бы (1967–1980 гг.) установлено наличие в теле дамбы четырех характер-
ных мерзлотно-температурных зон (рис. 6.8).
1. Зона талых намывных отложений мощностью до 11–18 м со сред-
ней температурой от 0,4 до 1‚5 °С. Эта зона включала в себя часть гребня
и пляжа и была областью формирования локальных напорных фильтраци-
онных потоков, распространявшихся по откосу. Талое состояние этой зоны
определялось тепловым влиянием пруда и конвективным тепломассопере-
носом вследствие фильтрации и инфильтрации при намыве.
2. Зона беспорядочного чередования талых и мерзлых отложений до
прекращения в 1976 г. намыва характеризовалась неустойчивым тепловым
режимом вследствие тепломассопереноса фильтрационными потоками.
Данная зона шириной 10÷20 м и мощностью до 12 м с температурой, из-
менявшейся от 0,3 °С до минус 2,1 °С, простиралась по всей дамбе (4 км)
и выклинивалась в виде продольной полосы на поверхность низового от-
коса, где наблюдалось сосредоточение рассмотренных выше криогенных
процессов и деформаций. Эта зона занимала переходное между талым мас-
сивом первой (верхней) зоны и подстилающим массивом промороженных
льдонасыщенных отложений четвертой зоны.
3. Зона, включающая нижнюю промерзшую часть низового откоса,
характеризовалась стабильностью поля отрицательных температур, изме-
нявшихся от минус 6,8 °С до минус 8‚2 °С. Сплошной мерзлый массив
этой зоны можно рассматривать как упорную призму, повышающую ус-
тойчивость откоса.
4. Зона располагалась в центральной части профиля дамбы‚ включая
высокольдистые намывные отложения и пласты замытого льда суммарной
мощностью до 15 м. Длина ледяных пластов в пределах дамбы (без учета

Г л а в а 6. Накопители промышленных отходов в зоне вечной мерзлоты
106
простирания их в область отстойного пруда) может превышать 100 м. Как
указывалось выше, лед залегает на различных глубинах по всей площади
хвостохранилища в пределах нижней трети его высоты. Тепловой режим
данной зоны в течение всего периода наблюдений отличался незначитель-
ными изменениями, зависящими от крутизны низового откоса в этом ство-
ре, его ориентации, определяющей приток солнечной радиации, мощности
снежников на откосе и процесса их таяния, а также ширины гребня и пля-
жа (рис. 6 .8).
а
б
Рис. 6.8. Криогенное строение и тепловой режим ограждающей дамбы хво-
стохранилища No 2: 1 – талая зона; 2 – мерзлая зона; 3 – замьггые льды; 4 –
вечномерзлое основание; 5 – геотермограммы; а, б – наблюдательные створы
Средняя температура намывных отложений в нижней части этой
зоны изменялась от минус 0‚4 °С до минус 0‚9 °С, в пределах гребня –
от минус 0,4 °С до минус 1‚6 °С и в средней части – от минус 0,7 °С до ми-
нус 1‚9 °С. Основание дамбы в контрольных створах находилось в мерзлом
состоянии. Средняя, практически стабилизировавшаяся температура осно-
вания составляла минус 0,9–2‚5 °С. Прекращение намыва оказало благо-
приятное воздействие на тепловой режим дамбы. За период 1974–1976 гг.
отмечено общее понижение температуры талых зон на 0‚8 °С. За это же
время температура мерзлых зон понизилась в среднем на 1÷2 °С; наблюда-
лись перемерзание и уменьшение размеров некоторых фильтрующих тали-
ков, ориентированных вдоль наблюдательных створов. В целом по дамбе

6.2 . Эксплуатация и натурные исследования накопителей
107
тенденция к стабилизации отрицательных температур в мерзлых зонах
усилилась даже вблизи таликов. Происходило постепенное понижение
температуры и продолжалось промерзание низового откоса на тех участках
напорного фронта, где затухала локальная фильтрация в таликах и не имело
места отепляющее воздействие отложений снега.
***
На устойчивость и экологическую безопасность накопителей в крио-
литозоне оказывает влияние комплекс температурных, криогенных,
фильтрационных и технологических факторов.
Постоянная интенсивная фильтрация и максимальное оттаивание
основания наблюдается в русловой части дамб талого типа. На участках
сопряжения с бортами долин фильтрация имеет локальный и временный
характер, усиливается при намыве хвостов в летнее время и уменьшается
при сезонном промерзании. Колебания депрессионной поверхности в ру-
словых створах, связанные с изменением уровня пруда и сезонным про-
мерзанием–оттаиванием, составляют 1–2 м.
Определяющее влияние на формирование фильтрационного потока
в намывном массиве и на оттаивание основания оказывает конструкция
первичной дамбы – водонепроницаемой или фильтрующей, в частности
отсыпанной из вскрышных пород.
Первичные дамбы из каменной наброски являются эффективным
дренажом и упором для намывного массива лишь при надежной теплоизо-
ляции и сохранении начальной пористости насыпи в течение всего периода
эксплуатации. Из-за высокой размокаемости и деформируемости полу-
скальных вскрышных пород под действием фильтрации и многократного
промерзания–оттаивания прочность наброски снижается, а ее пустоты за-
полняются продуктами разрушения – рыхлой суглинисто-щебенистой мас-
сой. Уменьшение водопроницаемости наброски приводит к повышению
депрессионной поверхности; участок высачивания перемещается вверх по
намывному откосу, что неблагоприятно влияет на его устойчивость. По-
этому внутренняя дренажная призма в теле первичной дамбы должна быть
отсыпана из прочного и морозостойкого материала и защищена грунтовой
теплоизоляцией. Фильтрат необходимо сбрасывать в нижний бьеф концен-
трированно по отводящему дренажному коллектору, ориентированному
вдоль природного талика. Такая схема обеспечивает существование доста-
точно мощного теплоисточника, исключающего перемерзание коллектора
зимой и его деформирование при неравномерных осадках оттаивающего
основания.

Г л а в а 6. Накопители промышленных отходов в зоне вечной мерзлоты
108
Для обеспечения стабильной прочности и водопроницаемости дамб
из вскрышных пород целесообразно также осуществлять контролируемый
замыв наброски хвостами или золошлаками.
Необходимо, во-первых, совершенствовать технологию намыва
внешних упорных призм накопителей и не допускать замыва пластов льда
и слоев льдистых замороженных хвостов или золошлаков, во-вторых, пол-
ностью исключить формирование ослабленных прослоек илистых шламов.
При наличии таких зон в намывном массиве ограждающей дамбы оценку
ее фактической устойчивости необходимо выполнять, располагая потенци-
ально опасные поверхности скольжения в талой области профиля соору-
жения на контакте с указанными слабопрочными включениями.
Для укрепления откосов и повышения их статической и фильтраци-
онной устойчивости в потенциально опасных зонах (в частности, на участках
развития наледей, трещин и местных обрушений) рекомендуется прово-
дить своевременный намыв пляжей шириной не менее 25 м, планировку
крутых участков откосов, устройство локальных незамерзающих дренажей
и пригрузок.
При проведении фильтрационных и температурных наблюдений
следует обращать особое внимание на возможный подъем депрессионной
поверхности и увеличение мощности водонепроницаемого мерзлого слоя
на поверхности низового откоса. В этом случае можно ожидать формиро-
вания безнапорно-напорного режима фильтрации, при котором депресси-
онная поверхность в нижней своей части смыкается с нижней поверхно-
стью мерзлого слоя и на нее передается давление фильтрационного потока
в пределах его напорной области.
На всех накопителях, образованных фильтрующими дамбами талого
типа, у подошвы низового откоса в сезонно-талом слое в теплый период
времени появляются надмерзлотные грунтовые воды в результате вытаи-
вания льда, инфильтрации осадков и фильтрации воды. Талик не промер-
зает и в зимнее время, а глубина его обычно составляет 4÷5 м и более. Это
важное обстоятельство подтверждено наблюдениями в течение более 25 лет.
Важнейший результат натурных наблюдений, проведенных на хво-
стохранилищах овражного типа, – это то, что зона постоянной фильтрации
и максимальная глубина оттаивания основания ограждающей дамбы фор-
мируются в пределах днища лога на этом участке фильтрационно-
тепловой режим дамбы, что благоприятно для устойчивости промерзаю-
щего низового откоса. Внешний водонепроницаемый мерзлый слой отде-
лен от депрессионной поверхности промежуточным талым («буферным»)
слоем. Следовательно, здесь не создаются предпосылки для появления на-
порной фильтрации и соответственно не возникают фильтрационные воз-
действия, отрывающие поверхностный мерзлый слой от массива откоса.

6.2 . Эксплуатация и натурные исследования накопителей
109
При определенных мерзлотно-климатических условиях возможно
возведение намывных дамб мерзлого типа с естественным проморажива-
нием зимой каждого слоя, намытого в теплый период года.
Для успешного возведения такой дамбы необходимы:
● равномерный по всей длине дамбы намыв пляжа, исключающий
образование глубоких понижений на подводной поверхности верхового
откоса – потенциальных контуров питания фильтрующих таликов;
● отсутствие локальной фильтрации из отстойного пруда по слою,
недостаточно промороженному в зимний период;
● своевременная заделка понижений и промоин на низовом откосе,
исключающая образование в них скоплений снега и развитие термоэрозии;
● регулирование такой интенсивности ежегодного наращивания дам-
бы, при которой обеспечивается полное сезонное промерзание каждого
намытого летом слоя.
В заключение отметим некоторые важные преимущества дамб мерз-
лого типа, определяющие актуальность разработки методов регулирования
теплового состояния этих сооружений:
–
устойчивость мерзлого низового откоса обеспечивается при более
крутом его заложении, что дает возможность при том же объеме намывае-
мого грунта получить большую глубину и емкость отстойного пруда, т. е .
улучшить условия для зимнего подледного намыва и осветления пульпы;
–
технология замыва пруда практически не влияет на прочность
и противофильтрационные свойства мерзлого массива;
–
повышается прочность поверхностной зоны низового откоса,
в мерзлом массиве которого отсутствуют сосредоточенная фильтрация
и связанные с ней участки высачивания, мерзлотные явления и деформации;
–
конструкция намывной дамбы существенно упрощается, так как
отпадает необходимость в устройстве дренажей, теплозащитных слоев
и противофильтрационных элементов из связных грунтов или пленки.
При отсутствии фильтрации в промороженном намывном массиве
отходов обеспечивается техносферная, в том числе экологическая, безо-
пасность накопителя.
Контрольные вопросы и задания
1. Назовите основные группы накопителей.
2. Какие накопители считаются опасными и почему?
3. Перечислите особенности эксплуатации накопителей в криолитозоне.
4. Какие формы криогенных процессов и деформаций наблюдались
с 1967 по 1980 г.?
5. Перечислите рекомендации для возведения дамб талого и мерзлого
типа.

Г л а в а 7. Природоохранные мероприятия при комплексных техногенных нарушениях поверхности
110
Глава7
ПРИРОДООХРАННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
ПРИ КОМПЛЕКСНЫХ
ТЕХНОГЕННЫХ НАРУШЕНИЯХ ПОВЕРХНОСТИ
7.1. Общие сведения
Освоение Севера в значительной степени связано с решением про-
блемы техногенного воздействия на окружающую среду и главным обра-
зом с проблемой устойчивости поверхности многолетнемерзлого массива.
Это вызывает необходимость разработки специальных природоохранных
мероприятий, защищающих и восстанавливающих нарушаемые участки
местности [3; 5; 7].
Особенность природоохранной проблемы в криолитозоне связана
с наличием льда в грунте и с более низким, чем в умеренных широтах,
уровнем активности процессов химических превращений. Этим объясняется
значительная продолжительность естественного процесса восстановления
нарушенных ландшафтов.
Техногенные нарушения поверхности в криолитозоне порождают
или усиливают криогенные и другие опасные геологические процессы, из-
меняющие ландшафт. Возникновение и развитие криогенных процессов,
связанных с сезонным и многолетним промерзанием и протаиванием гор-
ных пород, содержащих влагу, а также с охлаждением мерзлых пород
и замерзанием подземных вод, зависит от многих факторов. В южных
районах криолитозоны распространена островная мерзлота с температурой
от0до–2
о
С; в северных – сплошная мерзлота с температурой от –3 до –15 оС
и ниже, имеющая мощность от 100–200 до 500–700 м. Наибольшая мощ-
ность слоя пород (800–1 500 м) с отрицательной температурой отмечается
в Центральной и Восточной Сибири, где под толщей мерзлых пород зале-
гают породы, содержащие переохлажденные ниже 0
о
С рассолы (криопэги).
Криогенные процессы могут развиваться и за пределами криолито-
зоны, поскольку южная граница последней подвижна и зависит от измене-
ний климата и от техногенных воздействий. Основным условием развития
таких мощных криогенных процессов, как термокарст и термоэрозия, слу-
жит наличие подземных льдов.
Техногенное нарушение поверхности вызывает резкое ускорение
криогенных процессов. Обычно после активного развития в первые 2–3 года

7.1 . Общие сведения
111
криогенные процессы, существенно изменив поверхность, постепенно
замедляются и затухают, создавая новый ландшафт. Непосредственная
причина появления, усиления или ослабления криогенных процессов на
осваиваемых территориях области криолитозоны – это изменение теплового
баланса на дневной поверхности. Частичное нарушение или полное удале-
ние мохово-торфяного покрова увеличивает радиационный баланс поверх-
ности на 5–15 %, что вызывает повышение средней годовой температуры
грунта на 0,7–2,0
о
С и увеличение глубины летнего протаивания в 2–3 раза.
Интенсивность техногенных нарушений теплового баланса почв и грунтов
значительно больше, чем при естественных его изменениях.
В зависимости от характера освоения территории и техногенного
воздействия, а также приуроченности к той или иной зоне многолетней
мерзлоты тепловой баланс поверхности может приобретать как положи-
тельные, так и отрицательные значения. Поэтому нарушение поверхности
в одних условиях вызывает повышение температуры многолетнемерзлых
пород и возникновение или усиление термокарста, термоэрозии и солиф-
люкции, а в других – понижение температуры пород и появление процессов
пучения, морозобойного трещинообразования и наледей.
Экскавация грунта при строительных и горнодобывающих работах,
устройство насыпей и образование отвалов выработанной породы на поверх-
ности есть серьезные нарушения природной среды, особенно в районах
распространения сильнольдистых грунтов. При разработке месторождений
полезных ископаемых открытым или подземным способом и при сопутст-
вующем строительстве происходит уничтожение не только почвенного
и растительного покровов, но и нарушение структурных связей грунтов
при ударном и вибрационном воздействиях механизмов, а также размыв
в результате выпуска на поверхность промышленных стоков. Резкое изме-
нение рельефа, термовлажностного режима грунтов, увеличение твердого
стока рек ведут к коренному преобразованию ландшафтов, распростра-
няющемуся далеко за пределы контуров техногенных нарушений поверх-
ности.
Отвалы пустой породы и насыпи дорог играют роль теплоизолято-
ров. В районах с относительно высокой температурой многолетнемерзлых
грунтов через 2–3 года под насыпями образуются талики. Отвалы и насыпи
нарушают гидрологический режим прилегающих территорий, в результате
чего нарушается сток поверхностных вод. Образующиеся при этом талики
сливаются с таликами под насыпями и отвалами, что способствует разви-
тию термокарста. Отвалы, не пригодные для землепользования, становятся
источниками химического загрязнения воды и атмосферы и требуют ре-
культивации. В южных районах области многолетней мерзлоты глубокие
карьеры, если в них не накапливается вода, будут источниками новообра-

Г л а в а 7. Природоохранные мероприятия при комплексных техногенных нарушениях поверхности
112
зования многолетней мерзлоты и развития соответствующих криогенных
процессов.
Опыт эксплуатации угольных месторождений в области вечной
мерзлоты показал опасность образования над выработками провалов
поверхности и наледей. Воздух и вода, поступающие в горные выработки
через эти провалы, снижают устойчивость вмещающих пород и способст-
вуют возникновению пожаров. В городах и поселках формируется особый
вид техногенных ландшафтов под воздействием сложного комплекса ин-
женерно-геологических процессов. Усиление промерзания грунтов вызы-
вает морозное пучение грунтов и их морозобойное растрескивание, а также
образование наледей. С увеличением протаивания связаны термокарст,
термопросадка грунтов, солифлюкция и оползни.
Преобладающее воздействие на процессы теплообмена в грунтах на
застроенных территориях в северных и центральных районах криолитозоны
оказывают свойства снежного покрова. В ее южных районах на теплооб-
мен существенно влияют уничтожение мохово-торфяного покрова, уст-
ройство искусственных покрытий и вертикальная планировка, изменяю-
щие условия инфильтрации влаги в грунт и поверхностного стока. В этих
районах, где грунты имеют относительно высокую температуру, город
в целом способствует повышению температуры грунтов и деградации мно-
голетнемерзлых пород. Например, техногенное изменение теплового ба-
ланса в Воркуте привело к частичной деградации многолетнемерзлых
грунтов на 80–90 % территории. В северной части криолитозоны может
понижаться температура грунта на территории городов и поселков.
Проблема геокриологического прогноза очень сложна. Основную
информацию для качественного и количественного прогноза дает мерзлот-
ная съемка, по которой составляют мерзлотно-инженерно-геологическую
карту, прогнозируют изменения природных условий, разрабатывают
прогнозную карту, делают региональную классификацию горных пород
и проводят комплексное районирование территории с ее мерзлотно-
инженерно-геологической оценкой (в связи с естественным и техногенным
развитием криогенных и других процессов). Информацию, полученную
при мерзлотной съемке, используют в количественных методах прогноза
при математическом и физическом моделировании.
Для районов проектируемых трубопроводов рекомендуется оцени-
вать скорость развития криогенных процессов, изменения ландшафтов
и определять эффективность предлагаемых природоохранных мероприя-
тий. Условия трассы при этом оценивают по двум категориям: сложные –
при наличии сильнольдистых мерзлых грунтов и высокотемпературной
прерывистой многолетней мерзлоты; и простые – при слабольдистых грунтах
и низкотемпературной мерзлоте.

7.2 . Меры защиты многолетнемерзлых грунтов от оттаивания
113
В настоящее время применяют такие критерии инженерно-
геологической оценки территории криолитозоны мерзлоты при ее освоении:
● районы, освоение которых изменяет мерзлотные условия и нару-
шает экологические связи, вследствие чего развиваются необратимые
криогенные и другие процессы, преобразующие ландшафт;
● районы, освоение которых не вызывает катастрофических для
ландшафта последствий и возможно частичное естественное или искусст-
венное восстановление природных комплексов;
● районы, где изменение мерзлотных условий приводит к благопри-
ятным изменениям геосреды;
● районы, где изменение мерзлотных условий практически не оказы-
вает влияния на геосреду.
7.2. Меры защиты многолетнемерзлых грунтов
от оттаивания
Основные меры защиты поверхности территории при ее освоении
сводятся к предотвращению оттаивания многолетнемерзлых грунтов.
К мерам защиты поверхности территорий от разрушения относятся тепловая
и водная мелиорации грунтов, инженерная и биологическая рекультивация
нарушенных участков поверхности и другие меры, применяющиеся при
конкретных видах освоения – строительстве, горных работах, возведении
насыпей и др. Эффективные природоохранные мероприятия при строи-
тельстве и эксплуатации магистральных трубопроводов, обеспечивающие
устойчивость и нормальный температурный режим сооружений, включают
следующие требования: основные земляные и трубоукладочные работы
проводят в период устойчивых отрицательных температур воздуха; на уча-
стках с льдистыми грунтами не допускают раскорчевку леса, а применяют
спиливание; при планировочных работах и транспортных перевозках стре-
мятся к максимальному сохранению растительного и почвенного покровов
и не допускают нарушения естественной грунтовой поверхности; исполь-
зуют естественные и искусственные теплоизоляционные материалы для
покрытия обнаженных и спланированных при строительстве участков
местности.
При строительстве дорог насыпи рекомендуется возводить на естест-
венном растительном грунте или на искусственной теплоизоляции (синте-
тические материалы, шлак).
Одной из мер, направленных на восстановление нарушенных техни-
кой участков территории, является рекультивация растительного покрова
и ландшафта в целом. Эта мера имеет не только практические цели (закре-

Г л а в а 7. Природоохранные мероприятия при комплексных техногенных нарушениях поверхности
114
пление грунтов на склонах, восстановление растительности для изменения
теплооборотов в грунтах в нужном направлении), но и эстетические. Труд-
ности рекультивации растительного покрова в значительной степени свя-
заны с его очень медленным естественным восстановлением.
В таблице приведены рекомендации по природоохранным мероприя-
тиям в зависимости от вида нарушений поверхности и их причин.
Таблица
Техногенные нарушения в области вечной мерзлоты и рекомендации
по природоохранным мероприятиям
Вид
Причина
Вероятный результат нару-
шений по районам, сильно
чувствительным к техноген-
ному воздействию (1), сред-
нечувствительным (2), сла-
бочувствительным (3)
Рекомендуемые природо-
охранные мероприятия
I. Уплотне-
ние и раз-
рыв расти-
тельного
покрова
Движение тяже-
лого транспорта,
особенно летом,
строительные
работы (легкие),
выпас оленей
1. Образование термокар-
стовых озер, западин и ов-
рагов. Солифлюкция
2. Появление заболочен-
ных западин, эрозионных
канав в пределах контура
нарушений, сплывов грунта
1. Ограничение и упоря-
дочение во времени и
пространстве движения
транспорта и выпаса
оленей, дренаж, засыпка
верховий оврагов, тер-
моизоляционные покры-
тия, биологическая и
инженерная рекультива-
ция
2. Упорядочение движе-
ния транспорта, выпаса
оленей; биологическая
рекультивация
3. Появление небольших
заболоченных
западин,
сплывов грунта в пределах
контура нарушений
3. Биологическая ре-
культивация
II. Уничто-
жение рас-
тительного
покрова
Интенсивное дви-
жение тяжелого
транспорта, осо-
бенно летом; буре-
ние и эксплуатация
глубоких скважин;
устройство просек,
строительных
площадок; пожары
1. Интенсивное развитие
солифлюкции, термокар-
стовых озер, западин и ов-
рагов
1. Ограничение и упоря-
дочение во времени и
пространстве движения
транспорта и выпаса
оленей, дренаж, засыпка
верховий оврагов, тер-
моизоляционные покры-
тия, биологическая и
инженерная рекультива-
ция

7.2 . Меры защиты многолетнемерзлых грунтов от оттаивания
115
Продолжение табл.
Вид
Причина
Вероятный результат нару-
шений по районам, сильно
чувствительным к техноген-
ному воздействию (1), сред-
нечувствительным (2), сла-
бочувствительным (3)
Рекомендуемые природо-
охранные мероприятия
2. Термокарстовые просад-
ки. Солифлюкция, активи-
зация курумов на склонах.
Усиление промерзания, мо-
розное пучение и растрес-
кивание грунтов
3. Незначительная локаль-
ная заболоченность
2. Упорядочение движе-
ния транспорта, снежная
мелиорация, биологиче-
ская
рекультивация,
дренаж
3. Биологическая рекуль-
тивация, дренаж
III. Уничто-
жение поч-
венного
покрова, в
том числе
торфяников
(оголение
минерально-
го грунта)
Интенсивное
строительство;
планировка по-
верхности; сель-
скохозяйственное
освоение
1. Интенсивное развитие
солифлюкции, термокарсто-
вых озер, западин, оврагов
2. Термокарстовые заболо-
ченные понижения и озера в
пределах контура наруше-
ний. Усиление промерзания,
пучение,
растрескивание
грунтов
1. Ограничение и упоря-
дочение во времени и
пространстве транспорта
и выпаса оленей, засыпка
верховий оврагов, термо-
изоляционные покрытия,
биологическая и инже-
нерная
рекультивация,
предпочтение – зимним
работам
2. Дренаж, снежная ме-
лиорация; биологическая
и инженерная рекульти-
вация
3. Появление заболоченно-
сти, солифлюкции, активи-
зация курумов на склонах
3. Дренаж, биологиче-
ская рекультивация
IV. Экска-
вация и
переотло-
жение
грунта,
отсыпка
насыпей
Интенсивное
строительство, в
том числе линей-
ных сооружений,
планировка по-
верхности, дре-
нажные и ороси-
тельные канавы;
горные работы
открытым спосо-
бом, дренажные
полигоны
1. Интенсивное развитие
солифлюкции, термокар-
стовых озер, западин и ов-
рагов
2. Термокарстовые
про-
садки, заболоченные по-
нижения и озера в преде-
лах контура нарушений.
Солифлюкция, активация
курумов на склонах. Уси-
ление промерзания, мо-
розное пучение и растрес-
кивание грунтов
1, 2. Ограничение и упо-
рядочение во времени и
пространстве движения
транспорта и выпаса оле-
ней, засыпка верховий
оврагов,
термоизоляци-
онные покрытия, биоло-
гическая и инженерная
рекультивация.
Предпочтение
зимним
работам. Укладка насыпи
на растительный покров
или искусственный теп-
лоизоляционный
слой,
дренаж
прилегающих
участков

Г л а в а 7. Природоохранные мероприятия при комплексных техногенных нарушениях поверхности
116
Окончание табл.
Вид
Причина
Вероятный результат нару-
шений по районам, сильно
чувствительным к техноген-
ному воздействию (1), сред-
нечувствительным (2), сла-
бочувствительным (3)
Рекомендуемые природо-
охранные мероприятия
3. Заболоченность между
отвалами при наличии
тонкодисперсного грунта.
В южных районах области
вечной мерзлоты усилен-
ное промерзание стенок и
дна котлованов, канав, ес-
ли там нет воды. Пучение
грунтов
3. Снежная мелиорация,
укрытие органическим
пленками,
биологиче-
ская рекультивация
V. Наруше-
ние цельно-
сти масси-
вов горных
пород час-
тичным
удалением
последних;
откачка
воды, неф-
ти, газа
Подземная добы-
ча твердых и
жидких полезных
ископаемых
1. Образование термокар-
стовых озер, западин и ов-
рагов. Солифлюкция. Про-
седание и глубокие прова-
лы поверхности
2. Термокарстовые про-
садки, заболоченные по-
нижения и озера в преде-
лах контура нарушении;
проседание и глубокие
провалы
поверхности.
Усиление
промерзания,
морозное пучение и рас-
трескивание грунтов; со-
лифлюкция
1, 2, 3. Специальные
приемы при выемке
продуктивных пластов,
закладке; при креплении
кровли выработок; при-
нудительная вентиляция
шахт холодным возду-
хом. Биологическая ре-
культивация, дренаж по-
верхностных и подзем-
ных вод
Вероятный результат на-
рушений
по
районам,
сильно чувствительным к
техногенному
воздейст-
вию (1), среднечувстви-
тельным (2), слабочувст-
вительным (3)
Рекомендуемые приро-
доохранные мероприя-
тия
3. Термокарстовые про-
садки, заболоченные по-
нижения в пределах кон-
тура нарушений; проседа-
ние и провалы поверхно-
сти. Усиление промерза-
ния, морозное пучение и
растрескивание грунтов

7.2 . Меры защиты многолетнемерзлых грунтов от оттаивания
117
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите основные факторы и процессы, приводящие к при-
родным и техногенным нарушениям в криолитозоне.
2. Назовите эффективные природоохранные мероприятия, обеспечи-
вающие техносферную безопасность сооружений и геологической среды
при развитии экзогенных процессов в зоне вечной мерзлоты.

Г л а в а 8. Расчеты температурного режима грунтовых сооружений и основания
118
Глава8
8. РАСЧЕТЫ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА
ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ И ОСНОВАНИЯ
8.1. Основные положения и вводные понятия
При строительстве на вечномерзлых грунтах в зависимости от кон-
структивных и технологических особенностей сооружений и инженерно-
геокриологических условий следуют принципам использования вечномерз-
лых грунтов в качестве основания сооружений:
● принцип 1 – вечномерзлые грунты основания используют в мерзлом
состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего пе-
риода эксплуатации сооружения;
● принцип 2 – вечномерзлые грунты основания используют в оттаян-
ном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на
расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением
их оттаивания в период эксплуатации сооружения) [1; 4; 6; 7].
Принципу 1 следуют, если грунты основания можно сохранить
в мерзлом состоянии. На участках с твердомерзлыми грунтами, как правило,
используют вечномерзлые грунты по принципу 1.
При строительстве на пластичномерзлых грунтах, как правило, пре-
дусматривают мероприятия по понижению их температуры до установлен-
ных расчетом значений, а также учитывают в расчетах оснований пласти-
ческие деформации этих грунтов под нагрузкой.
Принципу 2 следуют, если в основании скальных или других мало-
сжимаемых грунтов, деформации которых при оттаивании не превышают
предельно допустимых значений для проектируемого сооружения, наблю-
дается несплошное распространение вечномерзлых грунтов, а также в тех
случаях, когда по техническим и конструктивным особенностям сооруже-
ния и инженерно-геокриологическим условиям участка при сохранении
мерзлого состояния грунтов основания не обеспечивается требуемый уро-
вень надежности строительства.
Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве основания
сооружений, а также способы и средства, необходимые для обеспечения
принятого в проекте температурного режима грунтов, выбирают на осно-
вании сравнительных тепловых и технико-экономических расчетов. В пре-
делах застраиваемой территории надлежит предусматривать, как правило,
один принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований.

8.1 . Основные положения и вводные понятия
119
Это требование учитывают также при проектировании новых и реконст-
рукции существующих сооружений на застроенной территории и прокладке
инженерно-технических сетей.
Применение разных принципов использования вечномерзлых грунтов
в пределах застраиваемой территории допускается на обособленных по
рельефу и другим природным условиям участках, а в необходимых случаях –
на природно необособленных участках, если предусмотрены и подтвер-
ждены расчетом специальные меры по обеспечению расчетного теплового
режима грунтов в основании соседних сооружений, возведенных по прин-
ципу 1 (резервирование зон безопасности, устройство мерзлотных проти-
вофильтрационных завес и т. п.).
При использовании вечномерзлых грунтов в качестве основания по
принципу 2 минимальную глубину заложения фундаментов принимают
в зависимости от расчетной глубины сезонного промерзания грунта
и уровня подземных вод с учетом образования под сооружением зоны
оттаивания грунта.
При использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований
сооружений по принципу 1 для сохранения мерзлого состояния грунтов
основания и обеспечения их расчетного теплового режима необходимо
предусматривать устройство холодных (вентилируемых) подполий, уклад-
ку в основании сооружения охлаждающих труб, каналов или применение
вентилируемых фундаментов, установку сезонно-действующих охлаж-
дающих устройств жидкостного или парожидкостного типов (термосифонов),
а также осуществление других мероприятий по устранению или уменьшению
теплового воздействия сооружения на мерзлые грунты основания.
Выбор одного или сочетания указанных мероприятий должен произ-
водиться на основании теплотехнического расчета с учетом конструктивных
и технологических особенностей сооружения и экономической целесооб-
разности.
Термосифоны используют, как правило, в сочетании с другими ох-
лаждающими устройствами для сохранения мерзлого состояния грунтов
оснований, повышения несущей способности опор линейных сооружен ий,
а также для создания ледогрунтовых завес.
В проекте сооружений на вечномерзлых грунтах должны быть пре-
дусмотрены мероприятия по инженерной подготовке территории, обеспе-
чивающие соблюдение расчетного гидрогеологического и теплового ре-
жима грунтов основания, предотвращающие эрозию, развитие термокарста
и других физико-геологических процессов, приводящих к изменению про-
ектного состояния грунтов в основании сооружений при их строительстве
и эксплуатации, а также к недопустимым нарушениям природных условий
окружающей среды. Инженерная подготовка отдельных строительных

Г л а в а 8. Расчеты температурного режима грунтовых сооружений и основания
120
площадок должна быть увязана с общей инженерной подготовкой и верти-
кальной планировкой территории застройки в соответствии с генпланом
и обеспечивать организованный отвод поверхностных и подмерзлотных
вод с начала строительства.
На участках с сильнольдистыми грунтами и подземными льдами
устраивают сплошные по площади теплоизолирующие подсыпки, толщину
которых необходимо устанавливать расчетом по условию предотвращения
протаивания подстилающего льдистого грунта.
При инженерной подготовке территории должны быть предусмотрены
природоохранные мероприятия, направленные на восстановление природных
условий, нарушенных в процессе строительства, в том числе мероприятия
по рекультивации и восстановлению почвенно-растительного слоя, засыпке
выемок, траншей и карьеров, выполаживанию и одернованию склонов
и откосов, а также по предупреждению развития эрозии, термокарста
и процессов размыва грунта.
В соответствии с привёденными выше основными положениями
и принципами безопасного использования вечномерзпых грунтов, особенно
при воздействии водоемов и гидротехнических сооружений, должны быть
выполнены определенные теплотехнические расчеты и прогнозы.
1. Прогнозы оттаивания мерзлоты под дном водохранилища.
2. Расчеты оттаивания береговых склонов после заполнения водо-
хранилищ.
3. Расчеты мерзлотных противофильтрационных завес в плотинах,
дамбах и других сооружениях.
4. Расчеты глубины сезонного оттаивания и промерзания грунтов.
Указанные расчеты рассматриваются в пособии в увязке с основным
лекционным материалом, излагаемым по курсу инженерного мерзлотове-
дения‚ с уклоном на безопасность сооружений. Каждый расчет сопровож-
дается отдельным примером.
8.2. Прогноз оттаивания вечной мерзлоты водохранилища
под дном
При устройстве водохранилищ на вечномерзлых основаниях важно
знать, на какую глубину и с какой скоростью произойдет оттаивание грун-
тов под дном водохранилища. Размеры оттаявшей зоны дают возможность
определить параметры фильтрационного потока, формирующегося в от-
таивающих слоях основания. Для определения динамики передвижения
границы оттаивания дна водохранилища (без учета фильтрации в период
оттаивания) используют формулу (8.1).

8.2 . Прогноз оттаивания вечной мерзлоты водохранилища под дном
121
Предполагается, что рассматриваемый участок водохранилища нахо-
дится на значительном расстоянии от берегов. Поэтому допускается, что
температура воздуха не оказывает прямого влияния на режим грунтов рас-
сматриваемого участка, а оттаивание дна происходит в вертикальном на-
правлении (одномерная задача).
Рис. 8.1. Определение границы оттаивания
мерзлого грунта под дном водохранилища
После наполнения водохранилища за время τ (ч) грунт оттаивает на
величину х, равную
1
2
2
0,9
Т
c
М
t
х
WCt



,
(8.1)
где х – глубина от поверхности дна водохранилища до границы оттаивания
мерзлого грунта (нулевой изотермы), м (рис. 8.1); т – коэффициент тепло-
проводности талого грунта, ккал/( м·ч·град); t1 – температура воды в водо-
хранилище на уровне поверхности грунта, °С; t2 – средняя начальная тем-
пература мерзлого грунта перед заполнением водохранилища, °С; ρ – скрытая
теплота фазового перехода влаги грунта 80 000 ккал/т; Wc – суммарная
влажность, или льдистость, доли единицы; См – объемная теплоемкость
мерзлого грунта, ккал/(м
3
град); τ – время от заполнения водохранилища до
рассматриваемого момента, ч.

Г л а в а 8. Расчеты температурного режима грунтовых сооружений и основания
122
Количество тепла, необходимое для таяния грунта, ккал/м
3
, можно
определить по формуле
Q=0,9pWс+CMt2.
(8.2)
Пример расчета по определению границы оттаивания дна водохра-
нилища по формуле (8.1) приведен ниже.
Предельная глубина оттаивания дна в центре водохранилища шири-
ной В может быть также определена с достаточной для практических целей
точностью по формуле
0
01
0,5
2
Т
T
М
t
x
В ctq
tt




,
(8.3)
где х – искомая глубина оттаивания, м; В – ширина водохранилища в зоне
его предполагаемого теплового влияния на плотину, м; t0 – температура
вечномерзлого грунта на глубине нулевых амплитуд (начальная темпера-
тура грунта); t1 – температура воды, ° С.
Соотношение между длиной водохранилища L и его шириной В не-
существенно влияет на величину х, найденную по формуле (8.3).
Пример расчета динамики оттаивания вечной мерзлоты под
дном водохранилища. Определяем положение нулевой изотермы при сле-
дующих исходных данных:
t1 – температура воды на дне водохранилища + 6 °С; t2 = |tгр| – темпе-
ратура грунта – 4 ° С; См – объемная теплоемкость мерзлого грунта
400 ккал/(м
3
· град); λт – коэффициент теплопроводности оттаявшего грунта
при полном влагонасыщении 1,25 ккал/(м·ч·град); Wc – суммарная влажность
(льдистость) грунта в долях единицы 0,2; ρ – скрытая теплота фазового пе-
рехода влаги грунта 80 000 ккал/т; τ – время от заполнения водохранилища
до рассматриваемого момента (ч).
За время τ грунт оттает на величину х:
1
c
гр
22
1
,
2
5
6
0,9
0,9 80000 0,2 400 4 33
Т
М
t
х
WCt











,
(8.4)
τ=1год=8750ч;
8 750
2,85 2,9
33
х

м.
Для различных τ значения х даны в табл. 8 .1.
Таблица 8.1
Зависимость глубины оттаивания от времени
τ, годы
1
5
10
20
30
х,м
2,85
6,35
8,99
12,6
15,7

8.3 . Предельное температурное состояние ложа водохранилища (основания промбассейна)
123
8.3. Предельное температурное состояние
ложа водохранилища (основания промбассейна)
Расчет стационарного температурного поля выполняется с учетом
дополнительных условий, задаваемых для реальных условий:
● уровень воды принят постоянным, средним за год;
● температуры смоченной и сухой поверхности также постоянны
и равны их среднегодовым значениям;
● ширина водохранилища В постоянна, и его длина намного превы-
шает ширину;
● грунты тела плотины и ложа водохранилища однородны и одина-
ковы по своим теплофизическим свойствам;
● ширина длины реки намного превышает поперечные размеры (шири-
ну профиля) плотины. Рельеф долины очень пологий и слабовыраженный;
профиль плотины весьма распластанный; особенности рельефа, высота
и очертания профиля плотины формулой (8.1) не учитываются;
● вода в нижнем бьефе отсутствует;
● влияние тепла недр земли формулой (8.1) не учитывается.
Отмеченные обстоятельства, не снижая ценности теоретического
решения по формуле (8.1), несколько ограничивают возможности его
практического применения. В частности, при осреднении теплофизических
свойств многослойной грунтовой толщи и приведении ее к условно одно-
родному грунту неизбежно вносится погрешность, снижающая точность
вычислений по формуле (8.1) для реальных мерзлотно–грунтовых условий.
Очертания изотерм в реальном профиле плотины также будут отли-
чаться от расчетных, построенных на полуплоскости при нулевой высоте
плотины. Остальные допущения в меньшей степени влияют на точность
расчета по формуле (8.1). Эта зависимость в настоящее время является
единственным точным аналитическим решением пространственной задачи
о стационарном распределении температур в основании комплекса «пло-
тина–водохранилище». На основе формулы (8.5) могут быть получены
приближенные методы расчета, учитывающие геометрические параметры
плотины и рельеф местности.
Расчет двухмерной задачи построения плоского стационарного тем-
пературного поля под водохранилищем на вечномерзлом основании может
быть выполнен по формуле

г
гг
1
22
,a
r
c
t
g
a
r
c
t
g
T
В
y
M
ВВ
xx
txy
tt
tG
yy














,
(8.5)

Глава
124
гдеt(
област
водной
перату
до гор
термич
района
G=0,
жет не
Рис. 8.
храни
П
путем
к одно
и состо
зрения
лого гр
Т
при за
8. Расчеты
(x,у)–ис
ти дна вод
й поверхн
ура мерзл
ризонта н
ческий гр
а проекти
02–0,03 г
е учитыва
.2. Расчетна
илища при
По форм
приведен
ородной,
оящей тол
я устойчи
рунта и о
Температ
адаваемой
температурн
скомая те
дохранил
ности гру
лоты, осре
нулевых а
радиент,
ируемой п
град/м, а в
аться).
ая схема дл
L≥2–3B:1
муле (8.5)
ния разно
так назы
лько из м
ивости пл
очертания
тура грун
йпокон
ного режима г
емператур
лища; tв –
унта, °С;
едненная
амплитуд
град/м, п
плотины
в расчета
ля определен
1 – расчетны
)учетф
ородной с
ваемой п
ерзлого гр
лотины и
я чаши отт
нта внутри
нтуру дна
грунтовых соо
равлюб
заданная
tг – сред
по глуби
(обычно
принимаем
(в больш
ах оттаива
ния предел
ый контур о
фазовых п
среды из
приведенн
рунта. Пр
ее основа
таивания
и чаши от
а водохр
оружений и о
бой точке
я среднего
немногол
ине от под
до глуби
мыйпос
шинстве ра
ания дна
ьной чаши
оттаивания
переходов
оттаиваю
ной, среде
ри этом ин
ания иско
не искаж
ттаивания
анилища
основания
е таломер
одовая те
летняя ест
дошвы де
ины 15–2
справочны
айонов ве
до глуби
протаивани
, t(x,y)=0п
в влаги
ющего и м
е, условн
нтересующ
омые тем
жаются.
я уменьш
темпера
рзлой грун
емператур
тественна
еятельног
20 м); Gг
y
ым данны
ечной мер
ины 10–15
ия под дном
по формуле
осуществ
мерзлого
но приним
щие нас с
мпературы
шается в
атуре теп
нтовой
ра под-
ая тем-
го слоя
–
гео-
ым для
рзлоты
5ммо-
м водо-
е (8.5)
вляется
грунта
маемой
с точки
ы мерз-
T
M


раз
лового

8.4 . Динамика оттаивания берегового склона после заполнения водохранилища
125
штампа tВ. За тепловой штамп принимается водохранилище шириной В.
При определении температуры дна водохранилища по формуле (8.1)
не учитываются очертание естественных подводных бортов водохранили-
ща, а также рельеф «сухой» поверхности. В меньшей степени на точность
расчета влияют такие упрощающие допущения, как осреднение грунтов по
их теплопроводности, приведение таломерзлой среды к условно однород-
ной мерзлой, а прямоугольная форма водохранилища в плане (длина водо-
хранилища L) должна удовлетворять неравенству L>(2–3) В.
В центре водохранилища максимальное оттаивание определяется по
формуле
1
3,14
1,5( 2)
0,5 ctg
0,5 100 ctg
102
2
2 1,5( 2) 1,8( 4)
То
ТоМ
t
хВ
tt
 








 






м. (8.6)
8.4. Динамика оттаивания берегового склона
после заполнения водохранилища
Динамика (скорость и глубина) оттаивания полностью проморожен-
ного вечномерзлого массива берегового склона водохранилища (или вер-
хового откоса плотины) определяется по следующим формулам:
2
2
1
1
2
м
Т
t
ух
Q
t
х




;
(8.7)
1
2
2
1
2
Т
М
t
ух
Q
t
х





.
(8.8)
Если
2
Мt
≥1Тt
 , то граница мерзлой зоны определяется одним
уравнением (8.7), а при
2
Мt
<
1
Тt
 – двумя уравнениями; соответственно
при
2
12
2
ТМ
tt
x
Q



–
уравнением (8.7), а при x
2
<
12
2
ТМ
tt
Q


–
уравнени-
ем (8.8).
В формулах (8.7) и (8.8) приняты те же обозначения, что в формуле
(8.1), и дополнительно обозначено: t2 – среднегодовая температура по-
верхности грунта тела плотины (в приближенных расчетах она может быть
принята равной среднегодовой температуре наружного воздуха).

Глава
126
П
т.е.гр
Г
случае
П
В
димым
Р
Н
грунта
8. Расчеты
Приτ=∞
раница ме
Граница
ем уравне
Ри
Приy=∞
Величины
м условие
Решая это
Ниже при
а в промо
температурн
∞ уравнен
ерзлой зон
мерзлой
ения (8.7)
ис. 8.3. Расч
при наклон
∞ уравнен
ы, входящ
ем соблюд
о уравнен
иведен пр
роженном
ного режима г
ние (8.7) п
у
ны будет
зоны под
, предста
четная схем
нном его за
ние (8.7) п
1
Т
х
t

щие в чис
дения рав
Тt

ние относ
ример оп
м откосе
грунтовых соо
примет сл
2
1
М
Т
t
х
t



представ
ддномв
влена на
ма оттаиван
аложении в
примет ви
2
2
1
2
м
t
Qх




слитель х,
венства яв
2
1
2
Q
t
х



ительно х
пределени
при созда
оружений и о
ледующий
1

,
влена прям
одохрани
рис. 8.3.
ния грунто
в зоне водо
ид
1

.
,λм,t2,ко
вляется
0

.
х, получи
ия динами
ании водо
основания
й вид:
мой лини
илища явл
ового масси
охранилища
онечны, п
м
2
х


ики грани
охранилищ
ией.
ляется ча
ива
а
поэтому н
1
Тt
Q

.
ицы оттаи
ща.
(8.9)
астным
необхо-
ивания

8.4 . Динамика оттаивания берегового склона после заполнения водохранилища
127
Пример. Определение положения нулевой изотермы в мерзлом бе-
реговом склоне после заполнения водохранилища в различные периоды
времени (рис. 8.4).
Дано:
t2 – температура грунта берегового склона выше горизонта воды – 5° С;
t1 – среднегодовая температура воды в водохранилище +4° С; tгр – началь-
ная температура вечномерзлого грунта –4° С; λт = 1,5 ккал/(ч м град); λМ =
1,8 ккал/(ч м град); Wo = 0,2; ρ = 80 000 ккал/м
3
.
Требуется построить нулевые изотермы в различные периоды време-
ниτ:τ=1;5;20лет.
Рис. 8.4. Положение границ талого и мерзлого грунта в пределах откосной области
грунта, прилегающего к водохранилищу и под дном водохранилища при λМ t2 > λТ t1
Границы талой и мерзлой зоны определяют по одному из уравнений
(8.7) и (8.8):
2
2
1
1
2
м
Т
t
yх
Q
t
х




,
1
2
2
1
2
T
м
t
yх
Q
t
х





.
Так как λМ t2 > λТ t1 (1,8·5 >1,5·4), то граница мерзлой зоны опреде-
ляется только одним уравнением (8.7). Величину Q, входящую в эти урав-

Г л а в а 8. Расчеты температурного режима грунтовых сооружений и основания
128
нения, находят по зависимости Q = 0,9·ρ·W + CM t2 = 0,9·80 000·0,2 + 400·4 =
= 16 000 ккал/м
3
:
1–приτ=1год,х=2,9м;2–приτ=5лет,х=6,4м;3–приτ=10лет,
х=9м;4–приτ=20лет,х=12,6м;5–приτ=50лет,х=20м.
В формулах (8.7) и (8.8) t1 °C, t2 °C и tгр °C – абсолютное значение
температур (без учета знака).
Приτ=1год
2
2
1,85 5
9
11
16 000
60,912
1,5 4
2 8750
ух
х
х
х







.
При τ = 5 и 20 расчеты ведут аналогично.
Приτ=∞
9
1
6
ух
x

.
Значения у при различных х даны в табл. 8.2 для различного времени τ.
Таблица 8.2
Результаты расчета положения нулевой изотермы в мерзлом береговом склоне
х
Значение у при λМ t2 >λТ t1
1 год
5 лет
20 лет
∞
1
0,877
0,739
0,715
–
1,5
1,697
–
–
–
2
3,362
1,628
1,478
–
3
–
3,102
2,346
2,13
3,5
–
4,134
–
–
4
–
–
3,372
–
5
–
11,53
4,625
–
6
–
–
6,210
4,26
9
–
–
15,48
–
8.5. Теплотехнический расчет мерзлотной завесы
в земляной плотине (дамбе промбассейна)
Расчет динамики роста цилиндра мерзлого грунта вокруг воздушной
замораживающей колонки основан на следующих допущениях:
● плотина отсыпана из однородного грунта. Начальная положитель-
ная температура грунта, его влажность, плотность и теплофизические
свойства осредняются по высоте, длине и ширине плотины;
● средняя по высоте плотины температура наружной поверхности
подземного теплообменника замораживающей колонки постоянна в тече-
ние периода зимнего охлаждения;

8.5 . Теплотехнический расчет мерзлотной завесы в земляной плотине (дамбе бассейна)
129
● процессы теплообмена колонки и грунта рассматриваются только
в горизонтальной плоскости. Тепловые потоки направлены по радиусу ко-
лонки и образуемого ею мерзлотного цилиндра;
● температура замерзания грунта принимается равной 0 °С. Неза-
мерзшей воды в грунте не остается;
● фильтрация и обусловленный ею конвективный теплообмен в пре-
делах мерзлотной завесы отсутствуют;
● все тепло, выделяющееся при охлаждении растущего мерзлого
цилиндра и окружающего его талого массива грунта, сосредоточено на
границе промерзания, т. е. на внешнем контуре мерзлого цилиндра;
● неустановившийся температурный режим рассматривается как по-
следовательная смена стационарных состояний.
Совместная работа колонок в мерзлотной завесе и их взаимное теп-
ловое влияние не учитываются (что уменьшит время промораживания).
В а р и а н т а. Промораживание в течение одного зимнего периода.
При выполнении расчета по формуле (8.10), применяемой для прак-
тических целей, находим радиус мерзлотного цилиндра
1
3
1
3
0,5
kkМ
k
tr
R
r
g


,
(
8
.
1
0
)
где R1 – радиус мерзлотного цилиндра за первый зимний период охлажде-
ния, м; τ1 – продолжительность первого зимнего периода охлаждения, ч;
tk – средняя по высоте плотины температура внешней поверхности подзем-
ного теплообменника колонки за период охлаждения, °С; rk – внешний ра-
диус колонки, м; λм – коэффициент теплопроводности мерзлого грунта,
ккал/(м·ч ·град); g – количество тепла, выделяющегося при замерзании 1 м
3
грунта от tнач до tпр и отводимое воздухом, движущимся в колонке, или
термосифоне. Определяется по зависимости
o
80000 CYск
gW
W

,
(
8
.
1
1
)
где Wо – объемная влажность Wо = Wc
ск
Y.
Здесь Wc – суммарная весовая влажность, доли единицы; Yск – объ-
емный вес скелета грунта, т/м
3
; ρ – скрытая теплота плавления льда, равная
80 ккал/кг.
В а р и а н т б. Промораживание в течение двух и более зимних пе-
риодов.
При длительном промораживании в течение двух и более зимних пе-
риодов зависимость между продолжительностью охлаждения, радиусом
мерзлого цилиндра и другими данными можно определить по зависимости

Г л а в а 8. Расчеты температурного режима грунтовых сооружений и основания
130
нач
0, 33
4
o
Т
kM
kM
WtС
tC
A
t



,
(8.12)
222
2
21
212
1
2l
n2l
n
kk
RR
A RRR
R
rr






,
где Wo – объемная влажность, доли единицы; нач
t
–
начальная температура
грунта, чаще всего положительная, близкая к нулю (0° С ≤ нач
t ≤1°С);Ст,
См – объемная теплоемкость талого и мерзлого грунта, ккал/(м
3
·град); R1 –
радиус мерзлого цилиндра в конце предыдущего периода проморажива-
ния, определенный по формуле (8.10); R2 – радиус мерзлотного цилиндра
к концу второго периода охлаждения, м. Остальные обозначения см. в фор-
муле (8.10).
Формула (8.12) может быть использована при определении радиуса
мерзлотного цилиндра при работе охлаждающей установки в течение не-
скольких зимних периодов охлаждения, когда τ=τ1+τ2+...+τn.
Величину tk – расчетную среднюю температуру внешней поверхно-
сти колонки – рекомендуется определять по формуле
4
kH
tt

 °С,
(
8
.
1
3
)
где tН – средняя температура наружного воздуха за период вентилирования
(ноябрь – март).
Для жидкостных термосифонов можно принять
г
0,5
kH
tt
t

,
(8.14)
где tг – температура грунта на внешнем контуре подземного теплообменника
термосифона.
Определение средней по высоте плотины температуры мерзлотной
завесы необходимо для расчетов устойчивости и прочности плотины или
другого сооружения (например мерзлотной подпорной стенки).
Для практических целей среднюю температуру но высоте можно оп-
ределять приближенно по зависимостям:
а) средняя температура по объему завесы при полном смыкании
мерзлых цилиндров
ср
0,32 0,8 0,2
к
dl
tt
lB





;
(8.15)
б) средняя для завесы температура в точке пересечения продольной
оси завесы с плоскостью смыкания цилиндров
см
0,73 0,55
к
ld
tt
Bl




,
(8.16)

8.5 . Теплотехнический расчет мерзлотной завесы в земляной плотине (дамбе бассейна)
131
где d – внешний диаметр колонки, м; l – расстояние между осями колонок, м;
В – минимальная толщина завесы в плоскости смыкания цилиндров, м; tк –
расчетная температура внешней поверхности колонки, средняя за период
зимнего вентилирования.
Ниже приводятся примеры расчетов по формулам (8.10–8.14).
Время, необходимое для смыкания льдогрунтовых цилиндров без
учета взаимного влияния колонок, определяем по формуле (8.10):
1
3
1
3
0,5
kkМ
k
tr
R
r
g


,
где
80000 CYск
gW

= 80 000·0,2·1,6 = 25 600;
W0=Cск
WY
kt  –31°+4°= –27° С; λм = 2,4 ккал/(м·ч ·град).
Задают τ1 = 400 ч:
33
1
3 400 ( 27) 0,106 2,4
8 250
0,5 0,11
0,05 0,75
25 600
25 600
R









м.
Следовательно, без учета влияния соседних колонок 1 = 400 ч,
а с учетом влияния колонки 1 = 221 ч:
уд
400
1,8
221
K

,
где уд
K – коэффициент увеличения времени смыкания мерзлотных цилин-
дров без учета влияния замораживающих колонок.
Представляет интерес определение радиусов мерзлотных цилиндров
в различные периоды зимнего охлаждения для плотины высотой 10 м.
Дано: l – расстояние между центрами колонок 1,5 м; h – высота ко-
лонки 20 м; kt – средняя температура внешней поверхности колонки –
20°+4°= –16° (расчетная температура наружного воздуха в период венти-
лирования – 20° kt
; rk – внешний радиус колонки 0,11 м; λм – коэффициент
теплопроводности мерзлого грунта 1,8 ккал/(м·ч·град); пр
t – предельная
температура, до которой следует охладить центральную часть плотины,
минус 1°С; W0 – объемная влажность грунта 0,15; ск
Y – объемная масса
скелета грунта 1,7 т/м3.
В предварительных расчетах допускается определить по формуле
(8.17):
нач
4С
ktt

,
(8.17)

Г л а в а 8. Расчеты температурного режима грунтовых сооружений и основания
132
где нач
t – начальная положительная средняя температура грунта +1°С
(принята по местным условиям); 1t – время зимнего охлаждения (первая
зима с момента пуска установки);
Радиус замороженного грунта в первый зимний период работы уста-
новки в зависимости от радиуса колонки и других данных определяется по
формуле (8.10):
1
3
1
3
0,5
kkМ
k
tr
R
r
g


,
гдеg=80000
ск
C
WY , ккал/м3.
Так как в уравнении 8.10 два неизвестных R1 и τ1, то одной из этих
величин следует задавать.
Задается τ1 = 1 000 ч ≈ 42 сут. τ1 = 1 месяц 12 дней. Тогда радиус
мерзлотного цилиндра будет равен
3
1
3 1000( 16)0,11 1,8
0,5 0,11 0,78 0,06 0,84
20 400
R







м.
где g = 80 000·0,15·1,7 = 20 400 ккал/м3.
С некоторым запасом это время можно принять для смыкания мерз-
лотных цилиндров радиусом 1
R =0,75мприl=1,5м.
Для последующего периода промораживания время τ2 определяется
по формуле
222
2
0
нач
21
12
1
2
1
80 000
0,33
(2 ln
2ln
).
4
Tk
M
kM
k
k
WtC
t
C
R
R
R
RR
R
tR
R







Для второго периода промораживания в течение второй и после-
дующих зим принимаем 1
R=1м.
Задается 2
R=6м,
2
2
R = 36 м; kt = –20 oС (принимаем для второй зимы
и последующих); нач
t =+1oС.
Ст, См – средние объемные теплоемкости талого и мерзлого грунта;
Ст – 700 ккал/м3·град; См – 456 ккал/м3·град.
Продолжительность второго (любого последующего) зимнего перио-
да охлаждения определяют так:
2
2
80 000 0,15 ( 1)700 0,33( 20)456
4( 20)1,8
6
1,0
9640
(2 36ln
21ln
36 1)
244,6 16 400ч;
0,11
0,11
140













8.6 . Расчет глубины сезонного оттаивания и промерзания грунта
133
2
16 400
22,8
24 30



мес.
Тогда полное время охлаждения
121,3 22,8 24
 

мес.
Примерно тот же срок был необходим для охлаждения тела в осно-
вании существующей плотины до tпр = – 1 oС (по натурным данным).
8.6. Расчет глубины сезонного оттаивания
и промерзания грунта
При отсутствии данных многолетних наблюдений нормативная глу-
бина сезонного оттаивания грунта определяется расчетом по формуле
2
1 н.з.1
11
1
2()
(),
22
Н
Т
Т
tt
QQ
Н
qq
q



(8.18)
Значение q1 следует определять в зависимости от характеристик
грунта слоя сезонного протаивания, а значение Q – в зависимости от ха-
рактеристик вечномерзлых грунтов, подстилающих слой сезонного про-
таивания:


11
1
н.з .
м0
н.з.
(
) (/75000,1)(
)(
)
cn
m
t
qp
WW
СttСtt






; (8.19)
1
0 н.з. ср
1
(0, 25
)(
)
3600
ММ
Qt
t
k
C




,
(8.20)
где λТ, λМ – коэффициенты теплопроводности грунта соответственно в та-
лом и мерзлом состоянии, ккал/м·ч·град, Ст, См – объемные теплоемкости
грунта в талом и мерзлом состоянии, ккал/ м3·град; ρ –удельная теплота
плавления льда, принимаемая равной 80 000 ккал/т; γск – объемный вес
скелета мерзлого грунта, т/ м3; Wc – суммарная влажность грунта, доли
единицы; Wн – весовое содержание незамерзшей воды в долях единицы;
t0 – температура грунта на глубине 10 м определяется по данным изыска-
ний, oС; н.з .
t – температура начала замерзания грунта, oС со знаком минус,
определяемая также по данным изысканий; t1 – температура поверхности
грунта, oС, средняя за период оттаивания; τ1 – время, ч, в течение которого
среднесуточная температура поверхности грунта выше н.з .
t;ср
k – коэффи-
циент, учитывающий фазовые переходы в вечномерзлых глинистых грун-
тах, для крупнообломочных грунтов и песка ср
k =1.

Г л а в а 8. Расчеты температурного режима грунтовых сооружений и основания
134
Значения t1 и τ1 могут быть определены по формулам
1
в
1,4 2,4;
tt
1
в
1,15 360

,
(8.21)
где tв и τв – средняя температура воздуха за период положительных
температур, oС и продолжительность этого периода, ч:
1
ср
0 н.з.
()
(0
,
2
2
)
3600
ttt



.
(8.22)
Нормативная глубина сезонного замерзания:
Н
М 2 н.з.2
М
2
2()
tt
Н
q



;
(8.23)
2c
Н
2 н.з.
()0
,
5
()
mm
qp
WW
Сtt



,
(8.24)
где t2 и τ2 – средняя температура воздуха за период отрицательных темпе-
ратур, oС, берут со знаком «плюс» и продолжительность этого периода, ч,
н.з .
t – берут со знаком «плюс»; значение WН определяется при температуре
2 н.з.
0, 5(
)
tt

. Для суглинков и супесей можно принять н.з .
t=–0,1oС.
Расчет промерзания крутого откоса насыпи, плотины, дамбы, откоса,
отвала и т. п . также выполняют по формулам 8.23, 8.24 при ранее приня-
тых обозначениях.

Заключение
135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышенное внимание к проблемам техносферной безопасности
промышленных, гидротехнических и природоохранных сооружений
в криолитозоне определяется растущим интересом к этому региону в связи
с перспективными задачами освоения богатейших северных месторождений
и развития новых зон активного внедрения человека в ранимую природу
Крайнего Севера.
В этой связи считаем существенно важными приведенные в пособии
данные об успешно апробированных за предыдущие годы конструкциях
и способах возведения различных сооружений на Крайнем Севере, необ-
ходимые сведения об аварийных ситуациях и деформациях этих объектов.
Это богатейший архив ценных данных, накопленных, в том числе с уча-
стием авторов, за советский период освоения Арктики.
В учебном пособии приведено основное содержание курса лекций,
подготовленного для студентов дневной и заочной формы обучения по на-
правлению «Техносферная безопасность». Пособие составлено в соответ-
ствии с действующими нормативными документами и природоохранным
законодательством РФ. Может быть использовано в курсовом и диплом-
ном проектировании.

Список литературы
136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гончаров, Ю. М . Основания и фундаменты на вечномерзлых грун-
тах : учеб. пособие / Ю. М . Гончаров ; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т
мерзлотоведения. – Якутск : Изд-во ИМЗ СО РАН, 2016. – 406 с.
2. Кузнецов, Г. И. Геоэкология. Защита окружающей среды : учеб.
пособие / Г. И. Кузнецов, Н. В . Балацкая. – К расноярск : Сиб. федер. ун-т ;
Политехн. ин-т, 2007. – 129 с.
3. Кузнецов, Г. И. Основы природоохранной гидротехники : учеб.
пособие / Г. И. Кузнецов, Н. В . Балацкая, Ю. М . Гончаров. – К расноярск :
Сиб. федер. ун-т, 2011. – 316 с.
4. Низконапорные гидроузлы криолитозоны Якутии : рекомендации
по проектированию и строительству / ФГУБУН Ин-т мерзлотоведения им.
П. И. Мельникова СО РАН; авт. -с ост: Р.В . Чжан, Г. И. Кузнецов и др. –
Якутск : Изд-во ФГУБН Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 2012. – 12 4 с.
5. Опасные экзогенные процессы / В. И. Осипов, В. М . Кутепов,
В.П.Зверевидр./подред.В.И.Осипова. – М.:ГЕОС,1999. – 290с.
6. Рекомендации по проектированию и строительству плотин и грун-
товых материалов для производственного и питьевого водоснабжения
в условиях Крайнего Севера и вечной мерзлоты. – М. : Стройиздат, 1976. –
112 с.
7. Хрусталев, Л. Н. Основы геотехники в криолитозоне : учебник /
Л. Н. Хрусталев. – М. : Изд-во МГУ, 2005. – 537 с.

Заключение
137
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица П1
Климатические данные по пунктам криолитозоны
Наименование
пункта
Температура наружного воздуха, oС
Продолжитель-
ность периода
со средней су-
точной темпе-
ратурой < 0 oС,
сутки
средняя по месяцам
сред-
няя за
год
средняя
наиболее
холодного
периода
I
II
III
IVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Красноярский край:
Байкит
Ванавара
Диксон
Дудинка
Игарка
Норильск
Таймыры
Тура
Хатанга
–31,5
–30,1
–26,3
–28,0
–28,6
–27,6
–31,0
–36,7
–33,8
–26,2
–25,0
–25,5
–26,1
–25,6
–25,2
–28,8
–30,8
–30,9
–15,6
–15,3
–24,4
–22,6
–20,0
–21,1
–28,4
–19,4
–28,1
–4,7
–4,2
–16,9
–15,5
–11,7
–14,0
–21,9
–7,9
–19,2
3,7
4,6
–7,8
–6,2
–2,6
–5,2
–10,2
2,8
–7,0
12,2
13,5
0,1
4,8
7,7
5,9
–0,2
12,1
4,4
16,5
17,1
4,6
12,8
14,8
13,4
4,7
16,3
12,3
12,9
13,3
5,0
10,3
11,6
10,4
3,3
12,5
8,8
5,2
5,7
1,3
3,5
4,7
3,6
–1,2
4,8
1,5
–5,1
–4,4
–7,0
–8,0
–6,1
–8,3
–11,0
–7,4
–11,9
–21,7
–20,1
–18,0
–21,4
–21,2
–21,8
–22,8
–26,0
–26,2
–30,5
–28,8
–23,1
–26,1
–27,2
–25,6
–27,5
–34,1
–30,6
–7,0
–6,1
–11,5
–10,2
–8,7
–9,8
–14,6
–9,5
–13,4
–38
–35
–32
–35
–34
–34
–34
–44
–41
214
213
273
252
240
245
280
222
258
Магаданская область:
Агрэс
Аркагала
Магадан
Омсукчан
Певек
Сеймчан
–38,6
–37,9
–21,0
–34,6
–26,2
–39,1
–35,0
–33,8
–19,8
–32,2
–27,8
–35,2
–26,8
–26,2
–15,2
–24,2
–23,9
–26,4
–13,8
–13,8
–6,2
–12,2
–15,4
–11,8
0,6
0,4
2,8
0,4
–3,8
2,8
10,2
10,1
8,2
10,0
5,2
13,2
13,2
13,2
12,6
13,6
7,6
15,6
9,6
9,6
11,8
10,6
6,2
11,6
1,5
1,4
6,5
3,2
1,4
3,8
–16,0
–15,4
–4,3
–11,1
–8,2
–11,8
–30,6
–29,6
–13,4
–25,6
–18,5
–28,1
–36,8
–36,8
–18,3
–33,6
–24,6
–37,4
–13,5
–13,2
–4,7
–11,3
–10,6
–11,9
–43
–42
–23
–42
–29
–44
236
236
210
232
245
227

Список литературы
138
Окончание табл. П1
Наименование
пункта
Температура наружного воздуха, oС
Продолжитель-
ность периода
со средней су-
точной темпе-
ратурой < 0 oС,
сутки
средняя по месяцам
сред-
няя за
год
средняя
наиболее
холодного
периода
I
II
III
IVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Якутия:
Верхоянск
Вилюйск
Зырянка
Колымская
Мирный
Нюрба
Оймякон
Сангар
Сунтар
Усть-Нера
–48,6
–38,2
–38,3
–34,8
–32,3
–36,1
–50,0
–39,7
–34,2
–48,5
–43,7
–31,6
–34,6
–34,4
–26,0
–30,4
–44,3
–33,6
–28,8
–42,2
–30,0
–20,0
–25,8
–28,3
–17,1
–19,9
–31,9
–21,1
–18,7
–29,8
–13,3
–7,8
–12,5
–18,7
–6,1
–7,4
–14,8
–8,8
–6,0
–12,0
2,0
4,1
1,8
–4,7
3,7
4,5
1,7
3,4
5,1
2,9
12,7
14,4
12,9
7,7
13,5
14,1
11,7
14,1
14,4
12,6
15,2
18,0
15,2
10,9
16,8
17,2
14,5
17,9
17,7
15,5
11,0
13,9
11,4
7,8
12,3
13,5
10,4
14,2
13,6
11,7
2,5
5,4
3,9
2,0
4,9
5,2
2,3
6,1
5,3
3,1
–14,4
–7,7
–11,2
–10,8
–6,9
–7,1
–15,2
–8,5
–6,3
–14,6
–36,2
–26,0
–28,1
–25,4
–22,9
–25,1
–36,2
–27,8
–23,3
–36,1
–45,4
–35,9
–36,2
–32,2
–30,6
–34,1
–47,4
–37,5
–32,0
–45,8
–15,7
–9,3
–11,8
–13,4
–7,6
–8,8
–16,6
–10,1
–7,8
–15,3
–51
–42
–41
–39
–39
–41
–56
–42
–49
–54
232
218
230
243
239
215
231
213
213
224

Заключение
139
Учебное издание
Кузнецов Георгий Иванович
Крук Наталья Владимировна
ИНЖЕНЕРНОЕ
МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие
Редактор Т. М. Пыжик
Корректор В. Р . Наумова
Компьютерная верстка Н. Г. Дербенёвой

Список литературы
140
Подписано в печать 21.06.2019. Печать плоская. Формат 60×84/16
Бумага офсетная. Усл. печ. л . 8,75. Тираж 100 экз. Заказ No 6594
Библиотечно-издательский комплекс
Сибирского федерального университета
660041, Красноярск, пр. Свободный, 82а
Тел. (391) 206-26-16; http://bik.sfu-kras.ru
E-mail: publishing_house@sfu-kras.ru