Инженерно-геологические особенности грунтов участка трассы магистрального водовода в Центральной Якутии

Введение

В основу статьи вошли материалы, полученные при непосредственном участии автора в инженерно-геологических исследованиях в составе геологического отдела Института по проектированию водохозяйственного и мелиоративного строительства Якутгипроводхоз.

В начале 90-х гг. прошлого столетия в заречной группе сельских районов Центральной Якутии с целью обеспечения населения питьевой и технической водой, началось строительство системы магистрального водоснабжения, которая состояла из насосных станций, трубопроводов, водохранилищ и каналов. Было предусмотрено строительство трех ветвей водоводов: 1) 1 – река Лена – поселок Туора Кюель и 4 – канал п. Туора Кюель – река Татта, 2) 2 – водохранилище поселка Бедеме – озеро поселка Тюнгюлю и 3) 3 – река Лена – озеро Мюрю (с. Борогонцы) (рис. 1).

Рис. 1. Территория исследования (участок Табага - Бютейдях)

Самый протяженный из них – магистральный водовод «Лена – Туора-Кюель – Татта» расположен на территории сплошного распространения многолетнемерзлых горных пород (ММП) и на всем своем протяжении (150 км) встречает участки более или менее интенсивного развития мерзлотных геологических процессов и явлений ^[12].

Исследуемый участок трассы водовода начинается от поселка Табага и доходит до поселка Бютейдях, расположенного на территории Мегино – Кангаласского улуса (района) Республики Саха (Якутия). Протяженность участка около 28 км, начинается севернее озера Теппе и заканчивается на аласе Орто-алаас близ поселка Бютейдях.

Многолетнемерзлые грунты широко распространены на всей территории Центральной Якутии. Они залегают в верхней части геологического разреза и попадают в основания инженерных сооружений промышленных объектов, объектов гидростроительства, систем магистрального водоснабжения и других сооружений. С этим связана необходимость изучения мерзлых грунтов, выявление закономерностей их распространения и изменения по площади и разрезу, а также исследование их состава, строения и свойств.

Участок трассы магистрального водовода охватывает два комплекса отложений Абалахской террасы - озерно-аллювиальные отложения и аласных (эрозионно-термокарстоых) отложений.

Озерно-аллювиальные отложения Абалахской террасы (равнины)

В геоморфологическом отношении участок проходит по озерно-аллювиальной Абалахской равнине, которая соответствует своему комплексу отложений. В отдельный комплекс выделены отложения аласов (термокарстовых котловин). Современная поверхность Абалахской равнины неровная, увалистая, на ней имеются локальные приподнятые участки. На плоских водораздельных участках широко развиты многочисленные замкнутые озерные котловины (аласы) и аласоподобные понижения. Поверхность межаласья осложнена полигональными формами микрорельефа, а на вырубленных от лесного массива участках – воронки и канавы просадок округлой и продолговато-удлиненной формы. Полигоны, как правило, четырехугольной, пятиугольной формы. Размеры полигонов от 8-10 м. до 15-20 м. Ширина полигональных канавок до 1,0-1,2 м, глубина до 0,5 м. На склонах аласов широко развиты байджарахи и морозобойные трещины. Отличительная черта района – широкое развитие термокарста в виде провалов, ям и промоин, повышенная льдистость грунтов и многочисленные фрагменты повторно-жильных льдов, что обусловлено особенностью рельефа местности ^[6].

Термокарстовые образования или проявления, их можно ещё назвать термокарстовые процессы и их проявления. Основными термокарстовыми образованиями (проявлениями) встречающимися в Центральной Якутии являются аласы. Алас – это довольно крупная котловина, образовавшаяся в результате постепенной оттайки и просадки грунтов. Встречаются аласы площадью от нескольких десятков квадратных метров до нескольких десятков квадратных километров. Они бывают различных размеров и форм; округлые, овальные, продолговатые и другие. На начальной стадии развития – алас небольшой глубины, с почти пологими склонами ^{[9, 12-21]}.

Последующие стадии обусловлены значительно большей глубиной и достаточно крутыми склонами. Микрорельеф склонов аласов и близ лежащей местности, ярковыраженный полигональный ^[11], часто здесь встречаются байджерахи (рис. 2) и булгунняхи (рис. 3) ^[7], нередко на аласах образуются озера (рис. 4).

Проявлениями термокарста могут быть выявленные подземные льды в виде повторно-жильных клиньев (ПЖЛ) ^[3-6]. При проведении исследований по профилю трассы магистрального водовода на участке Сырдах-Борогонцы, изыскатели столкнулись с проблемой широкого распространения подземных льдов, такие же трудности были и на участке водовода Табага – Бетюйдях. Повторно-жильный лед и высокольдистый грунт на участке встречался очень часто, на различных глубинах, начиная с глубины фактической сезонной оттайки грунтов и до забоя скважин. Это свидетельствовало о широком распространении повторно-жильных льдов на этом участке.

Рис. 2. Термокарст с байджерахами (возле п. Бютейдях, фото Сальва А.М.)

Рис. 3 Булгунняхи (возле п. Табага, фото Сальва А.М.)

Рис. 4. Термокарст с озером (оз. Сырдах, фото Сальва А.М.)

Рис. 5. Повторно-жильный лед ( 5 км. участок Табага - Бетюйдях)

Рис. 6. Полигональный микрорельеф (полигоны) (10 км., участок Табага - Бетюйдях, фото Сальва А.М.)

Рис. 7 – Морозобойное растрескивание (трещины) (возле оз. Сырдах, фото Сальва А.М.)

При изучении подземных льдов довольно часто использовался метод оконтуривания повторно-жильных льдов для прогноза направления распространения и мощности подземных льдов (рис. 5).

Полигональный микрорельеф (полигоны) в Центральной Якутии встречается тоже довольно часто (рис. 6). При проведении исследований на некоторых участках, полигональный ярковыраженный микрорельеф доходил до нескольких метров и даже километров. Полигоны примерно 2-9 метров в длину и до 1,7 метров в высоту, при бурении скважин в этих местах формирование повторно-жильных льдов начиналось с глубины 1,3-1,7 мета и более. Грунты тонкодисперсные – суглинок, супесь, глина, реже песок пылеватый и мелкий. Преобладал суглинок примерно на 80-90 %, затем шла супесь, песок и глина всречались реже ^{[11, 12]}.

Морозобойное растрескивание часто встречается в Центральной Якутии. На поверхности деятельного слоя оно проявляется в виде трещин (рис. 7), а также провалов и ям. Образования трещин возникает вследствии напряженного состояния мерзлых грунтов, вызванное температурными колебаниями и возможными изменениями литологического состава. Растрескивание затрагивает и деятельный слой, и верхние горизонты ММП. Ширина трещин составляет от единиц до первых десятков сантиметров, длина – до нескольких единиц и десятков метров. Встречаются прерывистые, сплошные, прямые, и косые трещины ^[12].

В инженерно-геологическом разрезе Абалахской равнины принимает участие мощная толща тонкодисперсных суглинисто-супесчаных отложений с линзами мелких, пылеватых и среднезернистых песков. Они включают в себя рыхлые четвертичные отложения водораздельных участков и их склонов. Разрез представлен преимущественно суглинками с линзами супесей и разнозернистых песков и мощными клиньями повторно-жильных льдов (см. разрез на рис. 8). Кровля ледяных жил вскрыта на различных отметках с глубиной 1,5-8,2 м. Полная мощность подземных льдов по данным бурения 10 метровыми скважинами не установлена ^{[10, 12]}.

Суглинки развиты повсеместно, являясь большей частью покровными отложениями, представлены от легких до тяжелых разностей. Число пластичности изменяется от 7,0-14,8 %. По всему разрезу содержат включения и примесь растительных остатков от 0,4 до 7,6 %. Суглинки слоя сезонного оттаивания имеют естественную влажность от 7 до 56 % и показатель текучести от твердой до текучей консистенции. При промерзании приобретают пучинистые свойства, в зависимости от глубины промерзания и консистенции - расчетная удельная сила пучения изменяется для твердых и полутвердых разностей от 0,5 до 0,75 кгс/см², тугопластичных 0,7 – 0,8 кгс/см², мягкопластичные, текучепластичных и текучих от 1 до 1,2 кгс/см². Суглинки многолетнемерзлого слоя льдистые, имеют слоистую и тонкослоистую криотекстуру. Льдистость за счет ледяных включений изменяет от 0,1 до 0,5 и выше. Суммарная влажность изменяется от 12 до 94% при среднем значении 40 %. Экстремальные значения влажности достигают 137 и 228 %. При оттаивании суглинки ММП приобретают текучую консистенцию. По коэффициенту оттаивания характеризуются как сильнопросадочные, по коэффициенту сжимаемости – среднесжимаемые.

Супеси залегают в виде линз в суглинистых отложениях на различных глубинах, реже с поверхности. Мощность линз от 0,4 до 1,5 м (вскрытия) Супеси представлены легкими и тяжелыми разностями с содержанием растительных остатков от 1,3 – 3,2 %. Естественная влажность сезонноталых варьирует от 3 до 18 % при среднем значении 12 %. Консистенция сезонноталых грунтов преимущественно твердая, реже пластичная. Расчетная удельная сила морозного пучения составляет 0,6 кгс/см. Супеси многолетнемерзного слоя имеют более высокую влажность от 24 до 48 % при среднем значении 38%. При оттаивании многолетней мерзлоты супеси утрачивают свои прочностные свойства, становясь сильнопросадочными, среднесжимаемыми и приобретая текучую консистенцию ^{[1, 2, 8]}.

Глины имеют весьма ограниченное развитие. Залегают в виде линз в слое ММП, с суммарной влажность до 35%. Льдистость невысокая до 0,2. Содержание растительных остатков до 3,9. При оттаивании приобретают мягкую пластичную консистенцию. Осадка при оттаивании под нагрузкой 1 кгс/см² не более 6,1 см/м.

Основные физико-механические свойства грунтов данного комплекса приведены в таблице 1 ^[8].

Таблица 1.

Физико-механические свойства грунтов

(Озерно-аллювиальный комплекс отложений Абалахской террасы)

Пескив пределах данного комплекса встречаются в виде линз различной мощности (от 0,3 до 4,2 м) на различных глубинах в связных грунтах. Пески представлены преимущественно пылеватыми и мелкими разностями, реже средними. В сезонно-талом слое имеют невысокую влажность, плотное сложение. Естественная влажность колеблется от 3 до 9%. Пылеватые и мелкие разности песков при промерзании имеют расчетную силу морозного пучения, равную 0,6 кгс/см² – характеризующиеся как слабопучинистые. Суммарная естественная влажность многолетнемерзлых песков изменяется от 8 до 63%, экстремальное значение 186%. Льдистость за счет льда-цемента не более 0,2. При оттаивании пески многолетней мерзлоты переходят в насыщенное водой состояние. Осадка при оттаивании под нагрузкой 1 кгс/см² максимальная составляет 5 см/м.

Рис. 8. Инженерно-геологический разрез участка водовода «Табага – Бетюйдях»

Температурный режим грунтов изучен только в пределах переходов через дороги (см. разрез на рис. 8, скв. 7, 19, 30, 44, 77, 86). Температура на глубине 10 метров составила от минус 1,5°С до минус 2,0°С. Нормативная глубина сезонного оттаивания, по этим же скважинам от 2,5 м до 3,6 м. Глубина сезонного оттаивания в зависимости от многих факторов (литологический разности или растепления грунтов) изменяется в большом диапазоне 1,0 – 2,4 м.

Аласные отложения Абалахской террасы (равнины)

Термокарстовые котловины (аласы) сложены своеобразными генетическими типами отложений. Отличительной особенностью является содержание значительного количества мелкодисперсных пылеватых частиц, осажденных на месте оттаивания повторно-жильных льдов, которые в виде вертикальных минеральных полос включает в себе до 20-30 % мелкозема. Кроме того грунты подвергаются температурному размельчению, неоднократно переходя через 0°С при промерзании и оттаивании.

Инженерно-геологический разрез в пределах трассы трубопровода представлен тонкодисперсными суглинисто-супесчаными грунтами и песками. Лед в грунтах присутствует в виде текстурообразующих включений. Связные грунты имеют разновидность слоистых текстур, пески – массивную. Отдельные «корни» повторно-жильных льдов развиваются у подножья аласов. Кровля их залегания 1,7 м; 3,0 м ^[13].

Суглинки имеют преимущественное распространение, представлены большей частью средними разностями и тяжелыми. Содержание примеси растительных остатков отмечается по всему разрезу от 0,6 до 7,8 %. Естественная влажность сезонноталых грунтов от 4 до 33 % при среднем значении 14 %. Консистенция преимущественно твердая, реже тугопластичная и текучепластичная. Расчетная сила пучения для твердых разностей 0,6 – 0,75 кгс/см², полутвердых – 0,9 кгс/см², текучепластичных 1,1 – 1,2 кгс/см². Суммарная естественная влажность многолетнемерзлых суглинков от 17 до 59% при среднем значении 37 %. При оттаивании суглинка, слоя многолетней мерзлоты будут иметь преимущественно текучую консистенцию. Максимальный осадок при оттаивании под нагрузкой 1 кгс/см² составит 13,6 см/м. По результатам компрессионных испытаний, тяжелые суглинки на глубине 8,0 – 8,3 м. характеризуются как сильнопросадочные и среднесжимаемые.

Супеси распространены реже, представлены большей частью тяжелыми разностями. Число пластичности в среднем – 6,9. Содержание примеси растительных остатков колеблется от 1,0 до 3,3 %. Консистенция сезонно-талых супесей в основном твердая, на отдельных участках текучая. Влажность от 7 до 31% при среднем значении – 15 %. Удельная расчетная сила пучения для твердых разностей – 0,6 кгс/см². Супеси слоя многолетней мерзлоты имеют более высокую влажность от 16 до 71 %. Льдистость за счет ледяных включений от 0,1 до 0,45. При оттаивании супеси будут иметь славным образом текучую консистенцию реже пластичную. Осадка при оттаивании под нагрузкой 1 кгс/см² может достичь 14,0 см/м.

Таблица 2.

Физико-механические свойства грунтов (комплекс аласных отложений)

Глины имеют локальное развитие. Вскрыты в пределах трассы трубопровода на аласах в виде единичной линзы мощностью 1,9 м (разрез на рис. 8, скв. 74). Залегают с поверхности под почвенно-растительном слое с глубины 0,1 м. Представлены легкими разностями светло-серого цвета с содержанием растительных остатков до 7,5 %. Консистенция глины твердая. Влажность от 7 до 11% при среднем значении 9%. Расчетная удельная сила пучения – 0,6 кгс/см. Основные физико-механические свойства грунтов приведены в таблице 2 ^{[1, 2, 8]}.

Пески в пределах аласов залегают в виде отдельных линз в супесчано-суглинистых отложениях на различных интервалах и в виде подстилающихся отложений. Представлены пески пылеватыми, мелкими и средними разностями. Наибольшим развитием пользуются пылеватые и мелкие разности, ограниченно среднезернистые пески. Естественная влажность сезонно-талых песков колеблется от 2 до 19 %. По плотности сложения они плотные и средней плотности. При промерзании, обладают незначительным пучением. Расчетная удельная сила морозного пучения составляет 0,6 – 0,75 кгс/см². Пески многолетнемерзлого слоя массивной криотекстуры. Льдистость за счет льда-цемента не превышает 0,25. Суммарная естественная влажность изменяется от 13 до 68 %. При оттаивании утрачивают свои прочностные характеристики, переходя во влажное и водонасыщенное состояние. Максимальные осадки при оттаивании под нагрузкой 1 кгс/см² будет достигать 5,6 см/м. По результатам компрессионных испытаний пески характеризуются как просадочные и сильно-просадочные и слабосжимаемые. Температура грунтов (10 м) от минус 1,4 до минус 1,6 °С. Сезонное оттаивание пород от 1,2 до 3,2 м.

Заключение

Участок трассы магистрального водовода проходит от поселка Табага (оз. Теппе) до поселка Бютейдях в пределах Абалахской равнины, которые осложнена многочисленными аласными котловинами. В геологическом строении принимают участие отложения юрского и мелового возраста, которые повсеместно перекрыты аллювиальными и озерно-аллювиальными осадками четвертичного возраста, четвертичные отложения развиты на всех элементах рельефа. В инженерно-геологическом отношении на трассе водовода выделено два комплекса отложений – озерно-аллювиальные отложения и комплекс отложений эрозионно-термокарстовых котловин (аласные отложения). По литологическому составу Абалахской равнины (террасы) суглинистые грунты доминируют над супесчаными и песчаными. Тонкодисперсные супесчано-суглинистые отложения межаласья содержат большое количество повторно-жильных льдов. О наличии повторно-жильных льдов свидетельствует полигональный микрорельеф и данные буровых скважин. Кровля залегания повторно-жильных льдов различна. Наиболее близко к поверхности повторно-жильный лед расположен на границе с сезонно-талым слоем. На аласных отложениях повторно-жильные льды отсутствуют. Лишь изредка встречаются по бортам и у подножия склонов их остаточные «корни». В геокриологическом отношении район расположен в зоне распространения многолетнемерзлых пород (ММП) сливающегося типа. Глубина сезонного оттаивания грунтов зависит от литологического состава, влажности, растительного покрова, заболоченности, экспозиции склонов и т.д. Мощность деятельного слоя в пределах трассы колеблется в диапозоне – от 1,0 до 3,2 м. Температура на глубине десяти метров изменяется от минус 1,4° до минус 2,0°С. В пределах аласных котловин отмечаются локальные линзы водонасыщенных песков. Термокарст на Абалахской равнине получил широкое развитие, сформированны уже зрелые котловины, соединявшиеся между собой перемычками, их глубина в среднем составляет – 5 м. Отличительной чертой термокарстовых котловин является наличие в них булгунняхов, возникающих при промерзании подаласных таликов. Несвязные многолетнемерзлые породы имеют массивную криогенную текстуру, а связные – тонкослоистую, слоистую, линзовидную и лишь в редких случаях массивную. Суммарная влажность суглинков и супесей слоя ММП составляет от 12 до 98 %. Льдистость за счет ледяных включений в связных грунтах от 0,1 до 0,54 д. ед. Суммарная влажность в песках составляет 8 – 68 %. Суглинки и супеси при оттаивании приобретают преимущественно текучую консистенцию, по коэффициенту оттаивания характеризуются как сильнопросадочные, по коэффициенту сжимаемости – среднесжимаемые. Пески при оттаивании будут переходить во влажное и водонасыщенное состояние с различной плотностью сложения. По коэффициенту оттаивания пески характеризуются как просадочные и сильнопросадочные, по коэффициенту сжимаемости – слабосжимаемые и среднесжимаемые.

По сравнению с участком магистрального водовода Нижний - Майя - Табага, булгуняхи встречаются реже, но зато более выраженны термокарстовые проявления в виде распространения полигонального микрорельефа и развития повторно-жильных льдов, что обусловлено наличием глинистых грунтов (суглинков, супесей и глин).