Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Динамика термосуффозионных процессов в криолитозоне

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Динамика термосуффозионных процессов в криолитозоне"

На правах рукописи

Гагарин Леонид Александрович

ДИНАМИКА ТЕРМОСУФФОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ (НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ)

Специальность 25.00.08 - инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Якутск - 2013

3 ОКТ 2013

005533952

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук» (ИМЗ СО РАН).

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Шепелев Виктор Васильевич.

Официальные оппоненты: Спектор Владимир Борисович,

доктор геолого-минералогических наук, ФГБУН «Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН», главный научный сотрудник.

Поморцев Олег Александрович,

кандидат географических наук, ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова», доцент.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки «Институт земной коры Сибирского отделения Российской академии наук» (г. Иркутск).

Защита состоится «23» октября 2013 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.025.01 при Институте мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН по адресу: 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.

Автореферат разослан «_» сентября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат географических наук ^^ЗЗс/ти*^ А. А. Шестакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Термосуффозия играет важную роль в развитии природных и антропогенных мерзлотных ландшафтов. В отдельных районах криолитозоны интенсивное развитие этого процесса представляет потенциальную опасность для устойчивости автомобильных и железнодорожных магистралей, отмечаются случаи образования термосуф-фозионных явлений на территориях некоторых городов и поселков.

В области развития многолетней мерзлоты большую роль, помимо механического, играет тепловое взаимодействие подземных вод и много-летнемерзлых пород, поэтому правомерно пользоваться термином «термосуффозия». Под термосуффозией автор, вслед за В. В. Шепелевым, понимает оттаивание дисперсных многолетнемерзлых горных пород под воздействием тепла фильтрующихся подземных вод и последующее их гидромеханическое разрушение и вынос.

Темросуффозионные процессы изучены пока недостаточно. Некоторыми исследователями были предприняты попытки оценки факторов и условий формирования термосуффозии, а также изучения динамики процесса. Однако основная доля этих исследований приходится на начало второй половины XX века. В зарубежной литературе Т. Сшс1ек, I. Бешек, (1970), С. ЕшЬЫоп, I. ТЬотеэ, (1979) под термосуффозией понимают вымывание мелких частиц грунта водами, образованными в результате таяния подземного льда. В. Л. Познанин (2012) в своей работе относится скептически к существованию термосуффозии, объясняя это тем, что мерзлые породы практически не обладают фильтрационными свойствами.

Материалы, положенные в основу данной диссертации, получены автором в рамках работ Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН в 2007 - 2012 гг. по программам фундаментальных исследований СО РАН: 7.10.2 «Состояние, строение и изменения криосферы: криогенез и его воздействие на природные и техногенные геосистемы» (проект 7.10.2.5 «Исследование состояния и тенденций развития криогенных ландшафтов при изменениях климата, гидрогеологических условий и антропогенных воздействиях») и VII.63.2 «Природные и техногенные системы в криосфере Земли и их взаимодействие» (проект УП.63.2.5 «Ландшафтные и гидрогеологические закономерности формирования геокриологических опасностей на Северо-Востоке России»), а также по программе Госзаказа РС(Я) (проект 1.2.19 «Изучение гидрогеотермических условий области питания подземных вод межмерзлотного комплекса

бестяхской террасы»), экспедиционным грантам СО РАН (проект «Изучение роли мерзлотных факторов в развитии различных гидрогеологических процессов в Центральной Якутии») и по Российско-Японскому договору о сотрудничестве по теме «Влияние изменений климата на питание, режим и расходы над- и межмерзлотных вод в Центральной Якутии».

Цель работы

Основной целью проведенных исследований является изучение механизма и динамики термосуффозионных процессов в условиях современных изменений климата.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• систематизировать имеющуюся информацию о суффозионных и термосуффозионных процессах;

• изучить особенности разгрузки подземных вод на бестяхской террасе р. Лены;

• установить факторы и закономерности развития термосуффозионных процессов в условиях современных изменений климата в Центральной Якутии;

• изучить динамику термосуффозионных процессов в годовом и многолетнем циклах;

• оценить влияние температурного режима горных пород в области разгрузки подземных вод межмерзлотного водоносного горизонта на развитие термосуффозионных процессов.

Объект исследований

Объектом исследований является сложный природный геолого-географический комплекс, развитый на бестяхской террасе р. Лены (Центральная Якутия) в районе источника подземных вод Улахан-Тарын, включающий различные элементы (слой сезонного протаивания и промерзания горных пород, таликовую зону, надмерзлотные и межмерзлотные подземные воды, многолетнемерзлые породы и др.), результатом взаимодействия которых в изменяющихся климатических условиях являются термосуффозионные процессы и явления.

Предмет исследований

Предметом исследований являются термосуффозионные процессы и их проявления на дневной поверхности (воронкообразные понижения, овраги, конусы выноса), развитые на бестяхской террасе р. Лены (Центральная Якутия) в районе источника подземных вод Улахан-Тарын.

Исходные материалы

В основе диссертационной работы лежат данные, полученные автором в составе коллектива лаборатории подземных вод криолитозоны Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН при проведении мониторинговых мерзлотно-гидрогеологических работ в 2007 - 2012 гг. на источниках подземных вод бестяхской террасы р. Лены (Центральная Якутия).

Научная новизна работы

1. Впервые количественно оценено влияние изменений температурного режима горных пород в зоне разгрузки надмерзлотно-межмерзлот-ных вод на интенсивность термосуффозионных процессов.

2. Уточнена роль гидроклиматических факторов в активизации термосуффозионных процессов на бестяхской террасе р. Лены в Центральной Якутии.

3. Впервые изучена годовая и многолетняя динамика термосуффозионных процессов в Центральной Якутии и образуемых ими провальных форм рельефа.

Основные защищаемые положения

1. Суффозионная деятельность подземных вод в условиях криолитозоны во многом определяется процессами теплообмена между фильтрационным потоком и окружающими его многолетнемерзлыми породами. В связи с этим подобный процесс правомерно называть термосуффози-онным.

2. Интенсификация термосуффозионных процессов в зимний период обусловлена сезонным промерзанием горных пород в зоне разгрузки подземных вод. Специфика их проявления определяется высоким гидравлическим градиентом подземных вод межмерзлотного водоносного горизонта, сформированного совокупностью геоморфологических и мерзлотно-гидрогеологических условий бестяхской террасы р. Лены.

3. В многолетнем режиме динамика термосуффозионных процессов и их проявлений на дневной поверхности определяется изменением условий питания и стока подземных вод под влиянием гидроклиматических факторов. В современный период происходит существенная активизация термосуффозионных процессов, интенсивность которых, по сравнению с 60-ми годами прошлого столетия, повысилась в 1,6 раза.

Практическая значимость

Полученные результаты могут быть использованы при проектировании различного типа инженерных сооружений на бестяхской террасе р. Лены и других территориях с аналогичными мерзлотно-гидрогеоло-гическими условиями. Так, на стадии проведения инженерных изысканий необходимо выявлять участки потенциального развития термосуф-фозионных процессов. При эксплуатации гидрогеологических скважин в пределах исследуемой территории рекомендуется вводить ограничения по величине и режиму водоотбора во избежание термосуффозионного разуплотнения горных пород вокруг водозабора и развития просадочных явлений.

Личный вклад

Автором обобщен имеющийся материал по изучению суффозионных и термосуффозионных процессов. С 2006 по 2012 гг. автор принимал участие в полевых работах по изучению мерзлотно-гидрогеологических условий, режима и особенностей разгрузки подземных вод на бестяхской террасе р. Лены, которые включали в себя опытно-фильтрационные, геодезические, гидрометрические, геотермические и другие исследования, а также обработку и анализ полученного фактического материала.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были представлены автором на двух международных (Киото, 2012; Салехард, 2012), пяти российских (Якутск, 2008; Тюмень, 2009; Якутск, 2010; Москва, 2011; Новосибирск, 2012) и двух республиканских (Якутск, 2009, 2011) научных конференциях. По теме диссертации автором опубликовано 7 работ, в том числе одна - в рецензируемом журнале.

Благодарности

Автор выражает, прежде всего, особую признательность доценту кафедры геокриологии геологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова к.г.-м.н. С. Н. Булдо-вичу, положившему начало его научной деятельности. За ориентацию в научных интересах, а также постоянное внимание и требовательность к проводимым исследованиям автор выражает огромную благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору, академику АН РС(Я) В. В. Шепелеву. В ходе исследований автор пользовался

советами и рекомендациями к.г.- м.н. Н. А. Павловой, профессора д.г.-м.н. Н. Н. Романовского, д.г.- м.н. В. П. Хоменко, д.г.н. В. В. Куниц-кого, д.т.н. Г. П. Кузьмина, д.г,- м.н. М. Н. Железняка. Им, а также сотрудникам кафедры геокриологии геологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, всему коллективу лаборатории подземных вод криолитозоны и другим научным сотрудникам Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН автор выражает искреннюю благодарность.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи исследований по теме диссертационной работы.

Глава 1. История изучения вопроса

Выделение суффозии из множества геологических процессов произошло сравнительно недавно, в конце XIX в. Со временем стали выделять химическую и механическую ее разновидности. В связи с активным освоением территории СССР, начиная с 30-х годов XX в., при строительстве гидротехнических и других сооружений началось детальное исследование условий формирования, механизма и динамики суффозионных процессов. Были разработаны различные физические и математические модели суф-фозионного разрушения горных пород, а также разработано его прогнозирование. В разные годы изучением суффозии занимались такие исследователи, как А. П. Павлов (1898), Н. М. Бочков (1936), В. С. Истомина (1957), К. Терцаги (1958), И. А. Печеркин, А. И. Печеркин, В. Е. Закоптелов (1980, 1981, 1982), В. П. Хоменко (2003), А. В. Аникеев (2006) и др.

Об активности суффозионных процессов в области развития криолитозоны упоминается с 20-х годов XX в. Исследования динамики и особенностей их проявления проводились в 50 - 60-х годах XX в. Изучением суффозионных процессов в криолитозоне в разное время занимались Г. Н. Огнев, Л. В. Бианки, А. И. Иванов (1927), В. М. Максимов, Н. И. Толстихин (1940), А. И. Ефимов (1952), Н. П. Анисимова (1959, 1967, 1969, 1975), Е. А. Румянцев (1966), И. Д. Данилов (1972), В. В. Шепелев (1972, 1978, 1987), А. В. Бойцов (1976, 1996, 2002, 2003), В. Л. Познании (2012), а также зарубежные исследователи Т. Сгис1ек, I. Бешек (1970), С. ЕтЬЫоп, I. ТЬотеэ (1979).

Глава 2. Природные условия формирования термосуффозионных

явлений

Район исследований расположен в пределах IV (бестяхской) надпойменной террасы р. Лены. Поверхность террасы относительно ровная, осложнена долиной ручья Улахан-Тарын, с глубиной вреза порядка 30 м. Отложения бестяхской террасы представлены средне-мелкозернистыми песками с гравийно-галечниковым слоем в основании. Мощность аллювия достигает 50 - 80 м. Возраст аллювиальных отложений датируется средним плейстоценом. Четвертичные отложения подстилаются средне-кембрийскими известняками, трещиноватыми в верхней части.

Многолетнемерзлые породы на исследуемой территории имеют сплошное распространение. Мощность их, как правило, превышает 200 м. Температура многолетнемерзлых пород на глубине годовых тепло-оборотов на выровненных участках террасы весьма высокая и достигает значений, близких к 0° С. В долине ручья Улахан-Тарын она понижается до —2,5° С. Характерной мерзлотно-гидрогеологической особенностью бестяхской террасы р. Лены является широкое распространение сквозных и несквозных таликов преимущественно радиационно-теплового, гидрогеогенного и гидрогенного типов.

В пределах исследуемого участка распространены подземные воды надмерзлотного, межмерзлотнош и подмерзлотного типов. К бортам долины ручья Улахан-Тарын приурочены пять локализованных, наиболее крупных групп разгрузки подземных вод: А, В, С, О и Е. По условиям питания и транзита эти подземные воды относятся к надмерзлотно-меж-мерзлотному типу. Воды напорные. Глубина пьезометрического уровня подземных вод вблизи участков разгрузки изменяется от 16,0 м летом до 17,2 м - зимой при залегании кровли межмерзлотного водоносного горизонта на глубине 27 м в северной части исследуемого участка. По данным гидрорежимных наблюдений средний многолетний дебит всех групп источников Улахан-Тарын составляет порядка 220 - 280 л/с. Подземным потоком выносится большое количество песка, а на поверхности террасы формируются термосуффозионные воронки диаметром от первых метров до 30 м и глубиной от 1 до 15 м. Подобные воронки обычно проявляются в рельефе в виде линейно вытянутых понижений протяженностью до 300 м.

Глава 3. Методика исследований

Изучение механизма и динамики термосуффозионных процессов в области распространения многолетнемерзлых пород проводилось с по-

мощью режимных мерзлотно-гидрогеологических исследований, геодезических измерений на ключевых участках, дистанционных методов исследования, лабораторных анализов и численного моделирования. В ходе написания данной работы были использованы фондовые и опубликованные материалы.

На основе анализа ранее проведенных и современных исследований были выбраны два ключевых участка. Первый участок расположен в районе цирка «Б» источника подземных вод Улахан-Тарын. Его выбор обусловлен тем, что, во-первых, здесь наблюдалось активное проявление термосуффозионных процессов, а во-вторых, подобные работы были проведены на этом участке в 60-х годах прошлого века. Последнее обстоятельство является важным для изучения динамики термосуффозионных процессов в более широком (полувековом) временном диапазоне.

Второй участок расположен в новообразованном цирке «Е», обнаруженном в ходе проведения полевых маршрутных исследований в 2008 г. До этого времени водопроявлений в этом месте не наблюдалось.

Оба ключевых участка были оборудованы сетью опорных реперов. Тахеометрическая съемка проводилась с периодичностью 1 - 2 раза в год с помощью электронного теодолита по специальной методике, применение которой обосновывается получением геодезических данных для построения планов расположения термосуффозионных явлений в компьютерной программе Surfer by Golden Software, Inc. С помощью указанного программного обеспечения производились расчеты изменения рельефа местности с течением времени.

В цирке «Б» источника подземных вод Улахан-Тарын в заданной предыдущими исследователями гидрогеологической скважине Г001 производились еженедельные замеры уровня подземных вод. В марте 2011 г. были проведены опытно-фильтрационные работы, по результатам которых оценена водопроводимость межмерзлотного водоносного горизонта. Для оценки родникового стока ежегодно замерялся дебит ручьев, вытекающих от всех описанных участков разгрузки подземных вод Улахан-Тарын.

В цирке «Е» были заданы две геотермические скважины - 1-09Т и 2-ЮТ, оборудованные логгерами с частотой измерений один раз каждые четыре часа. Для оценки влияния снежного покрова на температурный режим горных пород в верхней части разреза в марте 2009 г. в цирке «Е» источника подземных вод Улахан-Тарын проведена снегомерная съемка.

С целью изучения гидродинамического режима подземных вод межмерзлотного водоносного горизонта в зимний период, начиная с 2010 г.,

проводились измерения мощности наледи в долине руч. Улахан-Тарын с периодичностью один раз в декаду.

Глава 4. Условия формирования термосуффозионных процессов на участках разгрузки надмерзлотно-межмерзлотных вод

4.1 Мерзлотный фактор развития термосуффозионных процессов

В результате многолетних исследований источников подземных вод на бестяхской террасе р. Лены было установлено, что развитие термо-суффозионного процесса определяется мерзлотно-гидрогеологическими условиями территории. Следовательно, прежде всего, необходимо знать историю формирования геокриологических условий изучаемой территории.

Согласно представлениям Н. И. Толстихина (1941), А. И. Ефимова (1952), Н. П. Анисимовой (1981), В. В. Шепелева (1987,2002), А. В. Бой-цова (2002), межмерзлотный водоносный горизонт в пределах района исследований образовался в результате циклов аградации и деградации многолетнемерзлых пород в период позднего плейстоцена и голоцена, поэтому гидродинамический режим подземных вод здесь определяется многолетней динамикой мерзлых пород, а в области разгрузки накладываются процессы их сезонного протаивания и промерзания.

Выходы подземных вод на дневную поверхность представляют собой чаще всего напорные струи (грифоны) различного диаметра (до 0,5 м). Поскольку для рассматриваемой территории характерен резко континентальный холодный климат, имеется потенциальная возможность сезонного промерзания участков разгрузки подземных вод в зимний период года. Однако по данным натурных наблюдений, крупнодебитные очаги разгрузки подземных вод полностью не перемерзают, поэтому родниковый сток существует постоянно в течение года. Зимой происходит изменение лишь геометрии водовыводящей зоны под воздействием сезонного промерзания горных пород и, как следствие, изменение гидродинамических характеристик водоносного горизонта.

Для изучения особенностей теплообмена в межгодовом цикле между водовыводящей зоной, многолетнемерзлыми породами и атмосферой, а также условий формирования геокриологической обстановки в области разгрузки подземных вод, автором было выполнено математическое моделирование. Моделирование осуществлялось численным методом в программе Warm, разработанной на кафедре геокриологии геологическо-

го факультета МГУ. Осесимметричная задача решалась для двухмерного случая в цилиндрических координатах. Моделировалась субвертикальная водовыводящая зона с цилиндрической полостью. Теплоотдача сильно турбулизированного подземного водного потока моделировалась путем задания в осевой части полости некоторого фиктивного тепловыделения, которое бы обеспечивало устойчивость ее боковому промерзанию.

В результате проведенного численного моделирования удалось косвенно оценить влияние конвективного теплообмена водовыводящей зоны с многолетнемерзлыми породами. Под действием зимнего промерзания горных пород на стенках полостей, по которым происходит разгрузка подземных вод, формируется лед (рис. 1). Несмотря на это, зона разгрузки подземных вод полностью не перемерзает. В течение летнего периода оттаивание образованного зимой льда происходит не только за счет тепла приземного воздуха, но и от теплового воздействия разгружающихся подземных вод. Специфический температурный режим слоя годовых теп-лооборотов в наледной долине, связанный с повышением температуры подстилающих пород с началом роста наледи, также благоприятствует существованию разгрузки подземных вод в зимний период года.

Рис. 1. Расчетная модель на момент максимального промерзания горных пород в водовыводящей зоне

При бурении скважин 1-09Т и 2-ЮТ межмерзлотный водоносный горизонт был вскрыт на глубине 16 м. Разгрузка подземных вод в цирке «Е» источника Улахан-Тарын осуществляется гипсометрически выше кровли межмерзлотного водоносного горизонта на 2 м. Таким образом, перед

тем как разгрузиться на дневную поверхность, напорный фильтрационный поток прорывает перекрывающую его мерзлую кровлю в наиболее ослабленном месте. Процесс прорыва мерзлой кровли межмерзлотного водоносного горизонта подземными водами представляет собой тепловой и механический размыв. Подобный процесс размыва, сопровождающийся тепловым и механическим воздействием воды на льдосодержаю-щие многолетнемерзлые породы, называется термоэрозией. Этот термин используется в основном при изучении разрушения льдонасыщенных дисперсных отложений водами северных рек, озер, водохранилищ и морей. Однако на бестяхской террасе р. Лены происходит размыв мерзлой кровли водоносного горизонта, и движущей силой этого процесса являются подземные воды. Именно по этой причине наиболее подходящим термином для данных условий является термосуффозия.

В результате термосуффозионного разрушения мерзлых песков, перекрывающих межмерзлотный водоносный горизонт, в области разгрузки подземных вод формируются полости, которые могут достигать в длинну 5 и более метров и диаметра до 3 — 4 м.

В ходе исследований механизма термосуффозионных процессов были отобраны пробы песка из межмерзлотного водоносного горизонта. В лабораторных условиях изучена их засоленность. Согласно классификации Н. А. Цытовича (1973), исследуемые породы относятся к незаселенным. Следовательно, химическое воздействие фильтрационного потока на вмещающие породы, приводящее к активизации термосуффозионных процессов на исследуемой территории, исключается.

Таким образом, выводится первое защищаемое положение: суффози-онная деятельность подземных вод в условиях криолитозоны во многом определяется процессами теплообмена между фильтрационным потоком и окружающими его многолетнемерзлыми породами. В связи с этим подобный процесс правомерно называть термосуффозионным.

4.2. Оценка гидродинамических условий развития термосуффозионных процессов По результатам замеров уровня подземных вод межмерзлотного водоносного горизонта в скважинах в области питания, транзита и разгрузки подземных вод был рассчитан градиент напора. Так, в области питания и транзита подземных вод этот градиент имеет величину, равную I = 0,003, а в области разгрузки, в зависимости от времени года, может изменяться от 0,100 до 0,110.

В зимний период, с началом развития наледи в долине руч. Улахан-Тарын, гидродинамический режим межмерзлотного водоносного горизонта начинает меняться. В результате промерзания горных пород в долине и подпора разгружающихся подземных вод формируемой наледью увеличивается криогенный напор, что отражается в колебаниях уровня межмерзлотных вод (рис. 2). Таким образом, зимой в зоне разгрузки подземных вод значение напорного градиента увеличивается, что должно способствовать интенсификации термосуффозионных процессов. Подтверждением этому, как было указано ранее, является формирование своеобразных пещер в склоне бестяхской террасы, непосредственно над зоной разгрузки подземных вод. Здесь водный поток начинает размывать мерзлую кровлю межмерзлотного водоносного горизонта, образуя пустоты (полости). Поскольку мерзлый льдонасыщенный массив обладает пластичными свойствами, то под действием геостатического давления могут формироваться прогибы и трещины в сводовой части подобных полостей. При достижении критического соотношения между шириной и высотой этих полостей может происходить локальное обрушение их свода. В летний период при оттаивании мерзлых песчаных отложений происходит увеличение высоты пещер, обусловленное тем, что талый песок, не обладая сцеплением, под действием силы тяжести обрушается и выносится подземным водным потоком.

Время

о о о о о о

М СЧ М N М И

О! СО СО « ^ ^

О О О О О М N N N

Ю СО Г--

О О О О О <N1 С\| <\| СЧ СО СО С> О) О)

М М С4

ооооооооооооооо

^ ® СЧ СО О!

О) СО г-- о

9,00

I* 9,50

| 10,00

I 10,50

| 11,00 С* 11,50

Рис. 2. График изменений уровня подземных вод в скважине Г001 во времени

Следует отметить, что термосуффозионные процессы в кровле межмерзлотного водоносного горизонта формируют зоны пониженного давления, куда устремляется напорный поток подземных вод, ускоряющий размыв мерзлой кровли. При длительном воздействии подобный процесс размыва развивается вглубь бестяхской террасы. Толщина размытой мерзлой кровли межмерзлотного водоносного горизонта определяется величиной гидростатического давления.

В результате локального обрушения мерзлой кровли межмерзлотного водоносного горизонта на поверхности террасы и ее склоне образуются трещины оседания и провальные формы рельефа. Впоследствии в этой зоне формируются области пониженного гидростатического давления, и термосуффозионный процесс циклически повторяется.

4.5. Гранулометрический состав горных пород как фактор развития термосуффозионных процессов

Во время проведения полевых работ на ключевом участке в цирке «Е» были отобраны пробы грунта из источника Улахан-Тарын для изучения гранулометрического состава. Согласно ГОСТ 25100-95 грунт, слагающий межмерзлотный водоносный горизонт, относится к песку средней крупности с коэффициентом неоднородности г| = 2, а перекрывающую его многолетнемерзлую толщу слагает песок мелкий с коэффициентом неоднородности ^ = 1,6 — 1,7.

Согласно опытам, проведенным В. С. Истоминой (1957) по исследованию размываемости несвязанных грунтов (песчаных и гравелистых), при коэффициенте неоднородности г| < 10 и определенной скорости потока начинается перемещение частиц с расчетным диаметром, соответствующим этой скорости (<1 ). Однако из-за малого значения коэффициента неоднородности минимальный размер пор (<1мин) меньше расчетного диаметра (с!^) частиц, поэтому частицы размером с1мин < (1 < с1расч образуют скопления в виде пробки. Следовательно, гидростатическое давление подземного водоносного потока передается на весь массив грунта, что приводит к формированию частного случая суффозии —выпора. В нашем случае выпор характеризуется формированием грифонов, т.е. разгрузка подземных вод происходит в виде напорных пульсирующих струй, выносящих песчаный материал. В. С. Истоминой (1957) были предложены эмпирические зависимости диаметров частиц грунта (<1расч) и коэффициента неоднородности для расчета разрушающего градиента напора (1^). В результате проведенного нами расчета значение разрушающего гради-

ента напора в межмерзлотном водоносном горизонте в районе источника подзземных вод Улахан-Тарын составил I азр = 0,115. Эта величина совпадает со значением градиента, полученным в ходе натурных измерений.

Таким образом, выводится второе защищаемое положение: интенсификация терм осу ффозионных процессов в зимний период обусловлена сезонным промерзанием горных пород в зоне разгрузки подземных вод. Специфика их проявления определяется высоким гидравлическим градиентом подземных вод межмерзлотного водоносного горизонта, сформированного совокупностью геоморфологических и мерзлотно-гидроге-ологических условий бестяхской террасы р. Лены.

Глава 5. Особенности многолетней динамики термосуффозион-ных процессов

Мониторинговые геодезические работы были поставлены на ключевых участках (цирки «Б» и «Е») с 2009 г. с целью изучения динамики тер-мосуффозионного провалообразования. Последние представляют собой как понижения без видимых трещин на поверхности земли, так и воронкообразные либо цилиндрические провалы (рис. 3, 4). На некотором рас-

Рис. 3. Провальная воронка термосуффозионного происхождения на поверхности бестяхской террасы р. Лены в районе цирка «Е» источника подземных вод Улахан-Тарын (март 2009 г.)

Рис. 4. Новообразованная термосуффозионная воронка в цирке «Е» источника подземных вод Улахан-Тарын (июль 2010 г.)

стоянии от них на поверхности песчаной террасы могут формироваться трещины отрыва.

По результатам геодезических работ строились ситуационные планы расположения термосуффозионных провалов по программе Surfer by Golden Software, Inc (рис. 5).

С помощью встроенной в программу Surfer функции расчета объемов между произвольно заданной плоскостью и построенными ситуационными планами были определены изменения объема термосуффозионных провалов с 2009 по 2012 гг. В целом, полученные данные свидетельствуют об интенсификации термосуффозионных процессов на рассматриваемых участках в этот период. Так, объем цирка «Е» в период с 2009 по 2010 гг. составлял 1378 м3, с2010по2011 гг.-4063 м3, с2011 по2012 гг.-3363 м3. Также отмечено, что в цирке «Е» с каждым годом происходило углубление термосуффозионных воронок в среднем на 1,5 — 2,0 м. Объем цирка «Б» ежегодно изменялся: в 2010 г. он составлял 1605 м3, в 2011 г. - 3586 м3, в 2012 г.-2849 м3.

вертикальный масштаб 1:5000 горизонтальный масштаб 1:2000

Абсолютная отметка поверхности, м

Источник подземных еод

Рис. 5. Трехмерный план термосуффозионных понижений в цирке «Б» источника подземных вод Улахан-Тарын (сентябрь 2011 г.)

По результатам исследований В. В. Шепелева (1972), объем термосуффозионных изменений рельефа в цирке «Б» в 1966 — 1967 гг. составлял 1820 м3/год, а диаметр самого цирка и высота его бортов равнялись 103 м и 15 м соответственно. На основе этих данных им было оценено время образования цирка «Б» за счет термосуффозионных процессов, которое составило 80 лет. Подобные расчеты были проведены соискателем на основе новых данных, полученных в ходе исследований 2009 -2012 гг. Так, средняя интенсивность термосуффозионных процессов в цирке «Б», определенная по расчетам в программе Surfer, за период с 2009 по 2012 гг., составила 2934 м3/год. В 2012 г. площадь цирка «Б» равнялась 10 459 м2, а высота бортов увеличилась до 20 м. Таким образом, возраст цирка «Б» составил 71 год.

Разница возраста цирка «Б» в 9 лет по данным соискателя и В. В. Шепелева (1972) является незначительной, так как в расчетах принимались постоянные в течение года объемы проседаний поверхности песчаной террасы. В действительности интенсивность образования провалов на ее поверхности зависит от изменения дебита источников.

Сопоставление данных по интенсивности термосуффозионных процессов в 1967 и 2012 гг. свидетельствует об ее увеличении в настоящее время в 1,6 раза.

По данным, полученным в ходе режимных мерзлотно-гидрогеологи-ческих работ на бестяхской террасе р. Лены, проводимых автором в составе коллектива лаборатории подземных вод криолитозоны Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН в 2007 - 2011 гг., было отмечено значительное увеличение дебита источников подземных вод. Подобное изменение гидродинамического режима межмерзлотного водоносного горизонта не могло не отразиться на интенсификации термо-суффозионных процессов. Анализ имеющегося материала показал, что основной причиной повышения дебита источников послужило увеличение значений и изменения режима выпадения атмосферных осадков.

В 2006 - 2008 гг. выпало аномально большое количество атмосферных осадков. Значение их в эти годы превысило среднюю многолетнюю норму (253 мм) на 28 - 31% и составило 324 - 333 мм. Причем 65 - 80% из них пришлось на вторую половину теплого периода года. Наибольший максимум суточных значений выпадающих атмосферных осадков отмечался 21 августа 2006 г. и составил 44 мм (по метеостанции Покровск).

В 2005 — 2010 гг. были зафиксированы изменения ландшафтной обстановки на всей площади распространения межмерзлотного водоносного комплекса бестяхской террасы. Были выявлены новые очаги разгрузки подземных вод, отмечалось затопление ранее сухих пониженных участков рельефа, а также увеличение водности озер. По мнению автора, появление в 2008 г. в долине руч. Улахан-Тарын нового очага разгрузки подземных вод (цирк «Е») является результатом значительного повышения обводненности территории за счет атмосферных осадков, выпавших в период 2005 — 2007 гг. Следовательно, в результате наблюдаемых гидроклиматических экстремумов произошли значительные изменения гидродинамического режима подземных вод надмерзлотно-межмерзлотного водоносного горизонта. Это привело к увеличению дебита источников подземных вод и интенсификации термосуффозионных процессов на бестяхской террасе р. Лены.

Таким образом, выводится третье защищаемое положение: в многолетнем режиме динамика термосуффозионных процессов и их проявлений на дневной поверхности обусловливается изменением условий питания и стока подземных вод под влиянием гидроклиматических факторов. В современный период происходит существенная активизация термосуффозионных процессов, интенсивность которых по сравнению с 60-ми годами прошлого столетия повысилась в 1,6 раза.

Заключение

В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы.

1. Мерзлотно-гидрогеологические, геоморфологические и гидроклиматические условия территории обусловливают своеобразие механизма и интенсивности развития термосуффозионных процессов на бестяхской террасе р. Лены (Центральная Якутия).

2. Моделирование условий теплообмена между водовыводящей зоной межмерзлотного водоносного горизонта и многолетнемерзлыми горными породами свидетельствует о существенном влиянии сезонного промерзания горных пород и процессов наледообразования на характер разгрузки подземных вод и развития термосуффозионных процессов.

3. Термосуффозионные процессы весьма активно проявляются на бестяхской террасе р. Лены в районе источника подземных вод Улахан-Тарын. В цирке «Е» этого источника за период наблюдений с 2009 по 2012 гг. интенсивность термосуффозионных процессов в среднем составила 2934 м3/год, а в цирке «Б» - 2680 м3/год. По сравнению с подобной оценкой, проведенной на источнике Улахан-Тарын в 1966 - 1967 гг., интенсивность термосуффозионных процессов увеличилась в 1,6 раза.

4. Установлено, что значительное повышение количества атмосферных осадков в течение ряда лет (3-4 года) может привести к существенной активизации термосуффозионных процессов.

В дальнейшем планируется продолжить исследование термосуффозионных процессов по следующим направлениям:

1) провести физическое моделирование процессов разрушения мерзлых пород водным потоком в условиях, приближенных к естественным, характерным для существования межмерзлотных вод вблизи зон их разгрузки;

2) разработать математические модели развития термосуффозионных процессов и прогноза их интенсивности при изменяющихся внешних гидроклиматических условиях и внутренних параметрах межмерзлотных водоносных горизонтов;

3) продолжить мерзлотно-гидрогеологический мониторинг на ключевых участках в районе источника подземных вод Улахан-Тарын и других родников, существующих в Центральной Якутии с целью получения представительного многолетнего ряда данных наблюдений для комплексного изучения термосуффозионных процессов в натурных условиях;

4) провести комплексные мерзлотно-гидрогеологические исследования на намывных территориях строительства кварталов 202 и 203 в г. Якутске с целью изучения особенностей развития термосуффозионных процессов, оценки их интенсивности и негативного влияния на устойчивость зданий и инженерных сооружений, построенных и строящихся на этих площадях.

Список основных работ автора по теме диссертации

1. Гагарин, J1. А. Математическое моделирование условий теплообмена на участке разгрузки подземных вод в Центральной Якутии (на примере источника Улахан-Тарын) / JI. А. Гагарин // Материалы Всероссийского совещания по подземным водам востока России. — Тюмень : Тюменский дом печати, 2009. - С. 181-183.

2. Гагарин, JI. А. Особенности проявления суффозионных процессов в области распространения многшетнемерзлых пород (на примере Центральной Якутии) / JI. А. Гагарин, А. А. Семерня // Материалы четвертой конференции геокриологов России. - М.: Изд-во МГУ, 2011. Т. 2. - С. 217-223.

3. Гагарин, Л. А. Использование методов компьютерной обработки данных при изучении термосуффозионных процессов (на примере бестяхской террасы р. Лены) / Л. А. Гагарин // Наука и техника в Якутии (специальный выпуск).-2011.-С. 71.

4. Гагарин, Л. А. Исследование термосуффозионных процессов в Центральной Якутии / Л. А. Гагарин // Наука и образование. — 2012. — № 2.-С.41-45.*

5. Гагарин, Л. А. Влияние экстремальных гидроклиматических ситуаций на режим надмерзлотно-межмерзлотных подземных вод в Центральной Якутии / Л. А. Гагарин, А. Б. Колесников // Материалы Всероссийского совещания по подземным водам востока России. - Иркутск : Изд-во ООО «Географ», 2012.-С. 303-306.

6. Gagarin, L. Effect of extreme hydroclimatic conditions on groundwater systems in permafrost, Central Yakutia / L. Gagarin, A. Kolesnikov, T. Hiyama // Proceedings of the 1st International Conference on Global warming and the Human-Nature dimension in Siberia. - 2012. - P. 59-61.

7. Gagarin, L. The Peculiarities of the Mechanism of suflusion processes in the permafrost zone (the case of Central Yakutia) / L. Gagarin // Proceedings of the Tenth International Conference on Permafrost. Volume 4/2: Extended Abstracts. -2012.-P. 166-168.

♦Выделена работа в изданиях из списка ВАК.

Леонид Александрович Гагарин

ДИНАМИКА ТЕРМОСУФФОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ (НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Редактор Н. А. Устюжина Компьютерная верстка Л. Ю. Федоровой.

ИД 05324 от 09 июля 2001 г. Подписано в печать 27.06.13.

Формат 60><84 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,22. Тираж 100 экз. Заказ № 26.

Издательство и типография ФГБУН Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.

677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, д. 36, ИМЗ СО РАН.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Гагарин, Леонид Александрович, Якутск

Российская академия наук Сибирское отделение

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН

На правах рукописи

Гагарин Леонид Александрович

ДИНАМИКА ТЕРМОСУФФОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ (НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ)

Специальность 25.00.08 - инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор, академик АН РС(Я) В.В. Шепелёв

Якутск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Глава 1. История изучения вопроса 9 Глава 2. Природные условия формирования термосуффозионных

явлений 21

Глава 3. Методика исследований 50 Глава 4. Условия формирования термосуффозионных процессов на

участках разгрузки надмерзлотно-межмерзлотных вод 63

4.1 Мерзлотный фактор развития термосуффозионных процессов 63

4.2 Оценка гидродинамических условий развития термосуффозионных процессов 83

4.3 Гранулометрический состав горных пород как фактор развития термосуффозионных процессов 92

Глава 5. Особенности многолетней динамики термосуффозионных

процессов 100

Заключение 123

Список использованной литературы 125

Приложения 135

Введение

Термосуффозия играет важную роль в развитии природных и антропогенных мерзлотных ландшафтов. В отдельных районах криолитозоны интенсивное развитие этого процесса представляет потенциальную опасность для устойчивости автомобильных и железнодорожных магистралей, отмечаются случаи образования термосуффозионных явлений на территориях некоторых городов и поселков.

В области развития многолетней мерзлоты, большую роль, помимо механического, играет тепловое взаимодействие подземных вод и многолетнемерзлых пород, поэтому правомерно пользоваться термином термосуффозия. Под термосуффозией автор, вслед за В.В. Шепелевым -понимает оттаивание дисперсных многолетнемерзлых горных пород под воздействием тепла фильтрующихся подземных вод, и последующее их гидромеханическое разрушение и вынос.

Темросуффозионные процессы изучены пока недостаточно. Некоторыми исследователями были предприняты попытки оценки факторов и условий формирования термосуффозии, а также изучения динамики процесса. Однако, основная доля этих исследований приходится на начало второй половины XX века. В зарубежной литературе Т. Сгис1ек, I. Бетек, (1970), С. ЕтЫе1:оп, I. ТИотеБ, (1979) под термосуффозией понимают вымывание мелких частиц грунта водами, образованными в результате таяния подземного льда. В.Л. Познанин (2012) в своей работе относится скептически к существованию термосуффозии, объясняя это тем, что мерзлые породы практически не обладают фильтрационными свойствами.

Материалы, положенные в основу данной диссертации, получены автором в рамках работ Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН в 2007 - 2012 гг. по программам фундаментальных исследований СО РАН: 7.10.2 «Состояние, строение и изменения криосферы: криогенез и его воздействие на природные и техногенные геосистемы» (проект 7.10.2.5

3

«Исследование состояния и тенденций развития криогенных ландшафтов при изменениях климата, гидрогеологических условий и антропогенных воздействиях») и УП.63.2 «Природные и техногенные системы в криосфере Земли и их взаимодействие» (проект VII.63.2.5 «Ландшафтные и гидрогеологические закономерности формирования геокриологических опасностей на Северо-Востоке России»), а также по программе Госзаказа РС(Я) (проект 1.2.19 «Изучение гидрогеотермических условий области питания подземных вод межмерзлотного комплекса бестяхской террасы»), экспедиционным грантам СО РАН (проект «Изучение роли мерзлотных факторов в развитии различных гидрогеологических процессов в Центральной Якутии») и по Российско-Японскому договору о сотрудничестве по теме «Влияние изменений климата на питание, режим и расходы над- и межерзлотных вод в Центральной Якутии».

Цель работы

Основной целью проведенных исследований является изучение механизма и динамики термосуффозионных процессов в условиях современных изменений климата.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• систематизировать имеющуюся информацию о суффозионных и термосуффозионных процессах;

• изучить особенности разгрузки подземных вод на бестяхской террасе р. Лены;

• установить факторы и закономерности развития термосуффозионных процессов в условиях современных изменений климата в Центральной Якутии;

• изучить динамику термосуффозионных процессов в годовом и многолетнем циклах;

• оценить влияние температурного режима горных пород в области разгрузки подземных вод межмерзлотного водоносного горизонта на развитие термосуффозионных процессов.

Объект исследований

Объектом исследований является сложный природный геолого-географический комплекс, развитый на бестяхской террасе р. Лены (Центральная Якутия) в районе источника подземных вод Улахан-Тарын, включающий различные элементы (слой сезонного протаивания и промерзания горных пород, таликовую зону, надмерзлотные и межмерзлотные подземные воды, многолетнемерзлые породы и др.), результатом взаимодействия которых в изменяющихся климатических условиях являются термосуффозионные процессы и явления.

Предмет исследований

Предметом исследований являются термосуффозионные процессы и их проявления на дневной поверхности (воронкообразные понижения, овраги, конуса выноса), развитые на бестяхской террасе р. Лены (Центральная Якутия) в районе источника подземных вод Улахан-Тарын.

Исходные материалы

В основе диссертационной работы лежат данные, полученные автором в составе коллектива лаборатории подземных вод криолитозоны Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН при проведении мониторинговых мерзлотно-гидрогеологических работ в 2007 - 2012 гг. на источниках подземных вод бестяхской террасы р. Лены (Центральная Якутия).

Научная новизна работы

1. Впервые количественно оценено влияние изменений температурного режима горных пород в зоне разгрузки надмерзлотно-межмерзлотных вод на интенсивность термосуффозионных процессов.

2. Уточнена роль гидроклиматических факторов в активизации термосуффозионных процессов на бестяхской террасе р. Лены в Центральной Якутии.

3. Впервые изучена годовая и многолетняя динамика термосуффозионных процессов в Центральной Якутии и образуемых ими провальных форм рельефа.

Основные защищаемые положения

1. Суффозионная деятельность подземных вод в условиях криолитозоны во многом определяется процессами теплообмена между фильтрационным потоком и окружающими его многолетнемерзлыми породами. В связи с этим подобный процесс правомерно называть термосуффозионным.

2. Интенсификация термосуффозионных процессов в зимний период обусловлена сезонным промерзанием горных пород в зоне разгрузки подземных вод. Специфика их проявлений определяется высоким гидравлическим градиентом подземных вод межмерзлотного водоносного горизонта, сформированного совокупностью геоморфологических и мерзлотно-гидрогеологических условий бестяхской террасы р. Лены.

3. В многолетнем режиме динамика термосуффозионных процессов и их проявлений на дневной поверхности определяется изменением условий питания и стока подземных вод под влиянием гидроклиматических факторов. В современный период происходит существенная активизация термосуффозионных процессов, интенсивность которых, по сравнению с 60-ми годами прошлого столетия, повысилась в 1,6 раза.

Практическая значимость

Полученные результаты могут быть использованы при проектировании различного типа инженерных сооружений на бестяхкой террасе р. Лены и других территориях с аналогичными мерзлотно-гидрогеологическими условиями. Так, на стадии проведения инженерных изысканий необходимо

выявлять участки потенциального развития термосуффозионных процессов. При эксплуатации гидрогеологических скважин в пределах исследуемой территории рекомендуется вводить ограничения по величине и режиму водоотбора во избежание термосуффозионного разуплотнения горных пород вокруг водозабора и развития просадочных явлений.

Личный вклад

Автором обобщен имеющийся материал по изучению суффозионных и термосуффозионных процессов. С 2006 по 2012 гг. автор принимал участие в полевых работах по изучению мерзлотно-гидрогеологических условий, режима и особенностей разгрузки подземных вод на бестяхской террасе р. Лены, которые включали в себя опытно-фильтрационные, геодезические, гидрометрические, геотермические и другие исследования, а также обработку и анализ полученного фактического материала.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были представлены автором на двух международных (Киото, 2012; Салехард, 2012), пяти российских (Якутск, 2008; Тюмень, 2009; Якутск, 2010; Москва, 2011; Новосибирск, 2012) и двух республиканских (Якутск, 2009, 2011) научных конференциях. По теме диссертации автором опубликовано 7 работ, в том числе одна в рецензируемом журнале.

Благодарности

Автор выражает, прежде всего, особую признательность, доценту

кафедры геокриологии геологического факультета Московского

государственного университета им. М.В. Ломоносова, к.г.-м.н.

С.Н. Булдовичу, положившему начало моей научной деятельности. За

ориентацию в научных интересах, а также постоянное внимание и

требовательность к проводимым исследованиям автор выражает огромную

благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору,

академику АН РС (Я) В.В. Шепелеву. В ходе исследований автор

7

пользовался советами и рекомендациями к.г.-м.н. H.A. Павловой, профессора, д.г.-м.н. H.H. Романовского, д.г.-м.н. В.П. Хоменко, д.г.н. В.В. Куницкого, д.т.н. Г.П. Кузьмина, д.г.-м.н. М.Н. Железняка. Им, а также сотрудникам кафедры геокриологии геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, всему коллективу лаборатории подземных вод криолитозоны и другим научным сотрудникам Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН автор выражает искреннюю благодарность.

Глава 1. История изучения вопроса

История изучения суффозионных процессов в России начинается с работы академика А.П. Павлова «О рельефе равнин, и его изменениях под влиянием работы подземных и поверхностных вод» в которой приводятся его наблюдения на Русской равнине (Павлов, 1898). В этой работе он отмечает, что «...подземные воды производят работу разрушения и растворения минеральных частиц не только, когда она движется по трещинам в известковых толщах, но и в том случае, когда она циркулирует между частицами проницаемой породы, образуя то более, то менее обильные подземные токи...» (Павлов, 1898, стр. 13). При этом, А.П. Павлов подчеркивает, что в результате такого процесса происходит проседание земной поверхности по линиям движения подземных вод, а иногда начинают формироваться овраги. Подобный процесс разрушения и растворения породы подземным водным потоком, и последующим образованием просадочных форм рельефа на поверхности был назван А.П. Павловым подкапыванием, на латыни - суффозией.

Первые систематические исследования процессов суффозии, раскрытие

физической их сущности, а также основные закономерности были проведены

Н.М. Бочковым (Бочков, 1936). В своей работе он представляет суффозию

как изменение химико-физико-механического состава грунтовой массы, в

связи с чем, им выделяется: химическая суффозия - под которой понимается

вымывание растворимых солей; коллоидальная суффозия - вымывание части

грунта с разрушением микроагрегатов частиц породы; механическая

суффозия — вымывание мелких частиц грунта из пор части скелета более

крупных частиц грунта; суффозия массы - вынос или «выпор» всей массы

грунта. Основное внимание Н.М. Бочков уделяет исследованию

механической суффозии. Так, в работе приведены результаты лабораторных

экспериментов по изучению влияния гранулометрического состава и

градиента напора на способность фильтрационного потока производить

перемещение мелких частиц горной породы. На основании полученных

9

результатов и теоретического анализа подтверждается гипотеза, выдвинутая Н.М. Бочковым о том, что суффозия может иметь место лишь при турбулентном режиме грунтового потока.

В работе К. Терцаги, рассмотрен процесс взвешивания грунта (причина суффозии массы, выпора, подземной эрозии) и переноса частиц грунта в поровом пространстве (Терцаги, Пэк, 1958). Так, в массиве горной породы создается давление, которое составляют эффективное давление рЭф, т.е. давление вышележащей породы, передаваемое через точки контакта между частицами скелета, и нейтральное давление передаваемое через поровую воду, определяемое весом столба жидкости. Увеличение эффективного давления будет приводить к уменьшению коэффициента пористости, и к изменению механических свойств породы. При увеличении нейтрального давления измеримых воздействий на пористость и механические свойства не происходит. В совокупности обе составляющие определяют полное нормальное напряжение Р горной породы, определяемое соотношением:

Если горная порода находится в обводненном состоянии, то эффективное напряжение на глубине ъ будет определяться соотношением

, где у' - взвешенный объемный вес грунта, у - объемный вес водонасыщенного грунта, - удельный вес воды.

При выводе уравнения (2) предполагалось, что вода в порах грунта находится в состоянии покоя. Для того, чтобы учесть течение воды в поровом пространстве необходимо ввести в расчеты фильтрационное (гидродинамическое) давление. Оно вызывается трением между фильтрующей водой и стенками пор. Если же вода движется сквозь поры, уравнение (2) должно быть заменено выражением, в которое входил бы гидравлический градиент Согласно уравнению (1), если значение нейтрального давления увеличить на некоторую величину, то эффективное

Р = рэф + и,

(1)

Рэф = 2 ' У'

у' = У - У«

(2) (3)

давление уменьшится на то же значение. При этом в расчеты вводится понятие гидродинамического давления, под которым соискателем понимается давление фильтрационного потока на скелет горной породы за счет движения в порово-трещинном пространстве.

Далее в работе К. Терцаги рассматривается опыт, в котором в емкость с песком наливают воду до определенного уровня. По гидравлически связанной трубке уровень воды устанавливают выше уровня в емкости, тем самым создавая градиент напора. Через песок начинается вертикальное движение жидкости, вектор которого направлен вверх. В подобной системе, в отличие от состояния покоя, произошло изменение (увеличение) нейтрального давления (за счет постепенного повышения уровня воды в емкости при фильтрации через песок). При фильтрации воды в поровом пространстве появляется дополнительное давление (гидродинамическое давление), которое увеличивает нейтральное.

Отдельного внимания заслуживает работа B.C. Истоминой,

посвященная фильтрационным деформациям грунтов (Истомина, 1957). Так,

в результате поставленных ею лабораторных опытов фильтрационные

деформации были разделены на выпор, суффозию, контактный выпор и

контактный размыв. В работе рассматривается только механическое

разрушения грунта водным потоком. Под суффозией B.C. Истомина

понимала перемещение мелких частиц по поровому пространству без

нарушения структуры породы. При выпоре происходит движение всего

грунта вместе с водным потоком (взвешивание всех фракций). Основными

факторами, определяющими вид суффозии, являются гидродинамический

градиент водного потока, коэффициент неоднородности водовмещающей

породы и пористость. В результате опытов получены зависимости

разрушающих градиентов от коэффициента неоднородности, расчетных

диаметров частиц (которые в процессе проведения опытов при заданной

разрушающей скорости фильтрационного потока приходили в движение) от

коэффициента неоднородности. Эмпирическим путем определены

11

приближенные формулы расчета разрушающих гидродинамических градиентов, причем в зависимости от коэффициента неоднородности можно также определять тип фильтрационного разрушения.

В работах И.А. Печеркина, посвященным прогнозированию экзогенных геологических процессов на берегах Камского водохранилища, отдельное внимание уделено суффозионным процессам (Печеркин, Печеркин, Каченов, 1980, Печеркин, Закоптелов, 1982). Так, по мнению автора в определенных условиях суффозия, по своим масштабам, может приводить к разрушениям берегов в значительно большей степени, чем абразия. В работе также приводятся основные условия, необходимые для развития суффозии: 1) наличие склонов средней и малой крутизны; 2) возможность просачивания талых ливневых вод по обособленным каналам в толщу пород; 3) определенны