Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Основные принципы оценки и современные методы прогноза изменений инженерно-геокритических условий при освоении криолитозоны

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Основные принципы оценки и современные методы прогноза изменений инженерно-геокритических условий при освоении криолитозоны"

п 4 I \ -Академия наук Российской Федерации 1 ■и Сибирское отделение

Институт мерзлотоведения имени академика П.И.Мельникова

На правах рукописи

ЛОЛАЕВ Алан Батразович

УДК 624.131.1(571.11)

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОГНОЗА ИЗМЕНЕНИЙ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ОСВОЕНИИ КРИОЛИТОЗОНЫ (на примере Норильского промышленного района)

Специальность 04.00.07 - Инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Якутск 1998

Работа выполнена в Норильском индустриальном институте

Научный консультант - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор И.К.РАСТЕГАЕВ

Официальные оппоненты -доктор геолого-минералогических наук

Б.А.ОЛОВИН

-доктор технических наук, профессор С.А.БАТУГИН

-доктор технических наук, профессор Е.Е.ПЕТРОВ

Ведущее предприятие -трест «Гидроспецфундаментстрой» (г.Москва) '

___ \ ' С-

Защита состоится « » <Я- у^У 1998 г. в ~>* часов на

заседании специализированного Со^та Д.003.48.01 при Институте

мерзлотоведения СО РАН по адресу: 677010, г.Якутск-10, Институт мерзлотоведения, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения СО РАН

Просим принять участие в работе совета или прислать в двух экземплярах заверенный печатью отзыв по вышеуказанному адресу ученому секретарю спецсовета

Автореферат разослан « ^^л 1998 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., с.н.с.

М.М.Шац

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Огромный экономический потенциал северных территорий России, несмотря на труднодоступность, суровый климат и сложные геокриологические условия, обусловливает необходимость их хозяйственного освоения на пороге XXI века. Накопленный в стране и за рубежом опыт строительства и эксплуатации сооружений на Крайнем Севере показывает, что деятельность человека вызывает развитие опасных криогенных и гляциальных процессов, если не соблюдаются строгие требования экологической безопасности. В конечном итоге это сказывается на надежности зданий и сооружений, нарастании их деформаций, преждевременном износе конструкций.

В ряду источников загрязнения Арктики - Норильский территориально-промышленный комплекс - крупнейшая и уникальная техногенная система Заполярья. В совокупности с сопутствующими основному горнометаллургическому производству энергетической, строительной и другими отраслями промышленности, комплекс в настоящее время включает в себя более 50 различных производств, на которых существует около полутора тысяч постоянных источников образования жидких, твердых и газопылевых отходов. Так, ежегодные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу составляют около 2.0 млн. тонн, сбросы загрязняющих сточных вод - более 200 млн.м3, объем добычи горной массы около 10 млн.м3 В настоящее время на территории региона накоплено около миллиарда кубометров отходов производства и потребления, в пределах промышленного и прилегающих к нему районов уничтожены и повреждены сотни гектаров растительности и почв. Экосистемы ряда малых рек и озер полностью деградировали и потеряли свое рыбохозяйственное значение. Фактическое содержание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в пределах Норильска до 20-25 дней каждого месяца превышает предельно допустимые концентрации (ПДК). Порядка 50 дней в году оно составляет более 10 ПДК.

До настоящего времени систематическому изучению распространения ореола техногенного загрязнения, его интенсивности, качественного состава и путей миграции химических элементов, их ландшафтной приуроченности и

влияния на различные компоненты геологической и природной среды уделялось недостаточное внимание. В то же время следует отметить, что регион может служить крайней точкой шкалы, показывающей негативные воздействия техногенеза на инженерно-строительные свойства грунтов на Севере России, поэтому анализ техногенного влияния на вечномерзлые основания на примере Норильского промрайона является актуальным и может служить основой для разработки методики прогнозирования для поиска технических решений, позволяющих не только добиться стабилизации обстановки, но и провести рекультивационные мероприятия, направленные как на улучшение экологии криолитозоны, так и на обеспечение надежности эксплуатируемых зданий и сооружений.

Цель работы - разработка научных основ прогнозирования техногенного влияния на инженерно-геокриологические условия в вечномерзлых грунтах (на примере Норильского промрайона).

Для достижения указанной цели были сформулированы и поставлены следующие задачи:

• сформулировать комплексную проблему геокриологических исследований при хозяйственном освоении районов вечномерзлых грунтов;

• выполнить анализ техногенных факторов, вызывающих изменения геокриологических процессов в Норильском промышленном районе;

• провести экспериментальные исследования влияния техногенного засоления на физико-механические свойства талых и мерзлых грунтов;

• исследовать динамику процесса техногенного засоления мерзлых грунтов;

• разработать методологию и методику прогнозирования инженерно-геокриологических процессов в вечномерзлых фунтах с учетом техногенного влияния;

• выполнить прогноз изменения инженерно-геокриологических условий в вечномерзлых грунтах на базе предложенного метода и проверить его корректность на крупном промышленном объекте.

Научная новизна работы заключается в решении такой крупной научной проблемы, как разработка научных основ прогнозирования

техногенного влияния на инженерно-геокриологические условия в вечномерзлых грунтах.

По результатам исследований получены следующие новые научные и практические результаты:

1. На основе системного подхода сформулирована и раскрыта проблема геокриологических исследований при хозяйственном освоении вечномерзлых грунтов. Решение проблемы включает в себя последовательный ряд задач: сбор исходных данных - оценка существующего положения -мерзлотный прогноз - эколого-экономическая оценка - управление геокриологической обстановкой с разработкой и применением эффективных инженерных мероприятий, обеспечивающих при рациональных затратах надежность зданий и сооружений.

2. Сделан вывод о ключевом значении мерзлотного прогноза в составе указанной проблемы, так как его отсутствие указывает на непредставительность оценки существующего положения в плане методик или сбора достаточного количества исходных данных. Последующие задачи при этом теряют научную основу.

3. Изучено современное состояние информационной среды по данным инженерно-геологических изысканий и показано, что по сути своей она является «размытой», «нечеткой». Показана настоятельная необходимость применения теории нечетких множеств к описанию результатов инженерно-геологических изысканий и выполнению прогноза геокриологических процессов на их основе.

4. Предложен принципиально новый подход к получению и обработке геокриологической информации. Разработана методика и методология применения формализации экспертной информации при логико-лингвистическом описании сложных систем. Изложена методология применения разработанной модели и создан алгоритм применения разработанной методики.

5. С единых позиций и по единой методике проведены комплексные исследования физико-механических свойств природных и искусственно засоленных глинистых грунтов как в талом, так и в мерзлом состояниях и оценено их изменение в широком диапазоне.

6. Впервые применено тепловизорное обследование состояния плотины хвостохранилища крупного металлургического предприятия и установлены пути фильтрации потоков через основание и тело плотины.

7. Впервые выполнена диагностика и прогноз температурного режима основания плотины хвостохранилища на базе разработанной методики.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• сформулирована комплексная проблема геокриологических исследований при хозяйственном освоении криолитозоны;

• выполнены анализ и классификация техногенных факторов, вызывающих изменения геокриологических процессов в Норильском промышленном районе;

• получены результаты экспериментальных исследований влияния техногенного засоления на физико-механические свойства оттаивающих и мерзлых грунтов;

• получены результаты экспериментальных исследований динамики техногенного засоления мерзлых грунтов;

• разработаны и апробированы методология и методика прогнозирования инженерно-геокриологических условий в вечномерзлых грунтах с учетом техногенного влияния;

• выполнена диагностика и прогноз изменения температурного режима основания плотины хвостохранилища на базе предложенного метода, что позволило повысить эффективность и надежность принятых инженерных решений.

Методы исследования. Для решения проблемы использован комплекс методов: исследования физико-механических и структурных свойств материалов осуществлялись в лабораторных условиях, при этом, наряду с общепринятыми методами исследования, использовались электронно-микроскопический метод анализа, планирование экспериментов. Обработка и анализ полученных данных осуществлялись методами теории вероятностей и математической статистики. При разработке принципов прогнозирования и способов обеспечения надежности оснований использовались аналитический и экономический методы анализа. Оценка гипотез осуществлялась с доверительной вероятностью 0,95.

В натурных условиях был использован комплекс исследований, включивший в себя визуальное наблюдение, инструментальные замеры температур, химического состава материала хвостов и фильтрующихся потоков, тепловизионную съемку плотины хвостохранилища с компьютерной дешифровкой результатов.

Исследованиям предшествовали обобщение и анализ имеющихся результатов, достижений и тенденций в рассматриваемой области.

Положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Сформулированная комплексная проблема геокриологических исследований при хозяйственном освоении вечномерзлых грунтов;

2. Результаты комплексных исследований физико-механических свойств природных глинистых грунтов и их искусственно засоленных разновидностей как в талом, так и в мерзлом состоянии;

3. Методология физического моделирования процесса техногенного засоления мерзлых грунтов;

4. Результаты лабораторных исследований динамики процесса техногенного засоления мерзлых грунтов;

5. Методология и методика применения теории нечетких множеств к получению и обработке геокриологической информации;

6. Алгоритм применения разработанной методики для прогнозирования техногенного изменения геокриологических процессов в вечномерзлых грунтах;

7. Результаты диагностики и прогноза температурного режима основания плотины хвостохранилища.

Внедрение результатов. Результаты исследований, направленные на системное решение отдельных задач общей проблемы, реализованы по следующим направлениям:

• Методика прогнозирования, результаты диагностики и прогноза температурного режима основания плотины хвостохранилища внедрены в АО «Норильский комбинат» и использованы при разработке мероприятий по обеспечению устойчивости сооружения (Акты внедрения от 25.11.97 г.; №73/123 от 17.12.97 г);

• Материалы диссертационной работы использованы Норильским региональным комитетом экологии и природных ресурсов и включены в отчеты

«Состояние окружающей природной среды и природоохранная деятельность в Норильском промышленном районе» в 1994-1996 гг. (Акты внедрения, передачи информационно-технологических и методических материалов б/н от 12.01.95; 20.02 96 и 15.02.97 гг.);

• Материалы диссертационной работы внедрены Отделом комплексных изысканий института «Норильскпроект» АО «Норильский комбинат» (Акт внедрения, передачи информационно-технологических и методических материалов № 93-19/109 от 27.01.98г.);

• Материалы диссертационной работы нашли применение в дисциплинах специальности 290300 «Промышленное и гражданское строительство» в углублении подготовки по вопросам курсов «Механика грунтов, основания и фундаменты», «Инженерная защита окружающей среды», «Экология» и «Безопасность жизнедеятельности». На их основе подготовлено учебное пособие «Кпиматогеографические особенности Норильского региона и их влияние на производственную деятельность предприятий» (Акт о внедрении от 20.02.97 г.)

Личный вклад автора в решение проблемы. Диссертация является результатом многолетних исследований автора, выполненных на кафедре «Здания и сооружения» Норильского индустриального института в соответствии с планом научных работ института, проводимых в период 1988 - 1998 гг. в рамках хозяйственных договоров N 082-265, 082-277, 082-295, 082-310 между Норильским индустриальным институтом и Норильским горнометаллургическим комбинатом в соответствии с комплексной программой «Фундаментостроение Норильского промышленного района на 1988-95 гг.» («Фундамент - 95»); в рамках договоров N 1.1.91, 1.8.93, 1.1.94 и 1.1.96 между Норильским индустриальным институтом и Министерством общего и профессионального образования РФ, финансируемых из средств госбюджета по Единому заказ-наряду ($ 53); по Гранту Министерства общего и профессионального образования РФ № 7-25 (конкурс 1997 г.) в области охраны окружающей среды и экологии человека в соответствии с приоритетными направлениями развития науки и техники, утвержденными постановлением правительства Российской Федерации от 17.04.96г., № 360. Часть исследований была выполнена в университете Калгари (Канада) во врем?

научной стажировки и в Институте Земной коры СО РАН (г.Иркутск). Приведенные в работе научные результаты получены лично автором: в проведении исследований автор принимал активное участие в качестве научного руководителя, ответственного исполнителя. Тема диссертации утверждена Ученым Советом вуза решением № 5 от 31.01.97 г.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации неоднократно рассматривались, обсуждались и получили одобрение к внедрению в Российском акционерном обществе «Норильский никель» в 19881998 гг. Докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, конгрессах, симпозиумах и совещаниях:

• 7th International Conference COLD REGIONS ENGINEERING. Edmonton, CANADA. 1994;

• 7th International Congress of International Association of Engineering Geology. Lisboa, PORTUGAL. 1994, ( 2 доклада);

• 1st International Symposium «THE PROBLEMS OF COMPLEX. ORES UTILIZATION (Cu, Ni, Co, Sn, Al, Mg, Ti & Noble Metals)». Snt. Petersburg, RUSSIA, 1994, (2 доклада);

• 1st International Congress on Environmental Geotechnics. Edmonton, CANADA. 1994;

• 2nd International Conference on Mechanics of Jointed and Faulted Rock. Vienna, AUSTRIA. 1995;

• Geohazards and Engineering Geology Conference. Coventry, UK, 1995;

. 6th International Conference UNDERGROUND SPACE AND URBAN PLANNING. Paris, FRANCE. 1995;

• 6th Spanish Congress and International Conference on ENVIRONMENTAL GEOLOGY and LAND-USE PLANNING. Granada, SPAIN. 1996;

• 2nd International Congress on Environmental Geotechnics. Osaka, JAPAN. 1996;

• International Symposium ENGINEERING GEOLOGY AND THE ENVIRONMENT. Athens, GREECE. 1997, (2 доклада);

• Geoenvironmental Engineering Conference CONTAMINATED GROUND: FATE of POLLUTANTS and REMEDIATION. Cardiff, UK. 1997;

• 1st Austräte - New Zealand Conference on Environmental Geotechnics GEOENVIRONMENT 97. Melbourne, AUSTRALIA.

» научно-техническая конференция «Итоги НИОКР за XII пятилетку. Цели и задачи на XIII пятилетку». Государственный концерн по производству цветных металлов «Норильский никель». Норильск. 1990 г.;

• научно-техническая конференция «Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья». Чита. 1990 г.;

• региональная научно-техническая конференция «Крайний Север'96 Технологии, методы, средства.» Норильск. 1996 г.;

• научно-технические конференции, посвященные Дням науки Норильского индустриального института 1990-1998 гг.

В полном объеме работа докладывалась:

• на расширенном заседании кафедры «Здания и сооружения» Норильского индустриального института с участием ведущих специалистов института;

• на расширенном заседании Игарской научно-исследовательской мерзлотной станции с участием специалистов Норильского отдела ВНИИОСП им Н.М Герсеванова, Арктического отделения Российской Инженерной академии (РИА), Норильского отделения Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ), Норильского комитета по охране природы, мерзлотной инспекции АО «Норильский комбинат»;

• на объединенном научном семинаре Института мерзлотоведения им.акад. П.И.Мельникова СО РАН.

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 37 опубликованных работах, в том числе в 9 авторских свидетельствах и патентах, в 15 зарубежных публикациях в трудах Международных конгрессов, симпозиумов и конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Основное содержание изложено на 294 стр. машинописного текста, включая 58 рисунков, 42 таблицы и библиографию из 215 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Автор приносит глубокую благодарность всем коллегам по работе в Норильском индустриальном институте, и в частности, профессору, д.т.н.

|В.М.Рогинскому1 профессору, к.т.н. А.А.Колегову, доценту, к.т.н. Н Д Шклярову, доценту, к.т.н. А.В Спесивцеву, доценту, к.т.н. В.В.Спесивцеву, профессору, к.т.н. В.Ю Сеткову, профессору, д.т.н. Л.К.Говоровой, заведующему Норильским отделом НИИОСП им.Н.М.Герсеванова к.г-м.н. В.И.Гребенцу, председателю Норильского комитета по охране окружающей среды В.А.Савченко, сотруднику этого же комитета В.А.Плахтию, заведующему лабораторией термодиагностики АО "Норильский комбинат" А.Г.Осипову за содействие а проведении работ, советы, замечания и поддержку.

Автор также признателен сотрудникам института Земной коры Сибирского отделения РАН профессору, д.г.-м.н. Т.Г.Рященко, к.г-м.н. В.В.Акуловой, университета Калгари (Канада) профессору Р.Джоши и д-ру ГАчари за помощь в постановке и проведении исследований.

Особую благодарность автор выражает своему научному консультанту профессору, д.т.н. И.К.Растегаеву.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. КОМПЛЕКСНАЯ ПРОБЛЕМА ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ХОЗЯЙСТВЕННОМ ОСВОЕНИИ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Глава посвящена изучению по литературным данным причин геокриологических изменений в вечномерзлых грунтах и оценке воздействия на них различных факторов. При этом основное внимание уделено выявлению задач главного направления исследований.

Многолетнемерзлые породы занимают 25 % территории суши земного шара и около 62 % площади России, причем расположены они в зоне, имеющей наибольший потенциал для дальнейшего экономического развития.

Современные представления о физико-механических свойствах мерзлых грунтов сформировались на результатах изучения минеральных отложений, главным образом четвертичных песчаных и глинистых вечномерзлых толщ.

Засоленные вечномерзлые грунты широко распространены на территории страны. Грунты арктического побережья засолены практически

повсеместно. Встречены засоленные грунты в Магаданской, Читинской, Иркутской и других областях, в Якутии, в Красноярском крае, в городах Норильске и Дудинке, на территориях, прилегающих к БАМу, и др. Химический состав засоленных мерзлых грунтов неоднороден, но в целом преобладают соли натрия, магния и кальция. Однако соотношение катионов весьма неодинаково в различных районах: в арктической зоне преобладает хлоридно-гидрокарбонатно-натриевая минерализация (аналогично морской воде), что объясняется их происхождением (трансгрессией моря); в континентальных районах (г.Якутск и др.) преобладают катионы магния и кальция.. Количество и состав солей в вечномерзлых грунтах изменяется под влиянием термофизико-химических и других процессов, протекающих в горных породах.

Кроме того, на фоне природного засоления грунтов на территории крупных городов (Норильск, Якутск, Воркута) наблюдается интенсивное техногенное засоление грунтов и грунтовых вод в таликовых зонах и сезонноталого слоя.

Свойства же засоленных грунтов, как талых, так и мерзлых, существенно отличаются от незасоленных.

Начало исследований засоленных мерзлых фунтов как оснований сооружений относится к концу 50-х годов. Экспериментальные работы по изучению физико-механических и прочностных свойств засоленных мерзлых грунтов, всех аспектов взаимодействия этих грунтов с фундаментами, а также разработка методики исследований проводились в Амдерминской мерзлотной лаборатории под руководством Ю.Я.Велли, П.А.Гришина, В.М Карпова, В И.Аксенова, А Н Яркина. Кроме того, аналогичные работы, проведенные затем Н.А.Цытовичем, С.Б.Уховым, Я.А.Кроником, С.Г.Лосевой, Б.И.Далматовым, В.В.Докучаевым, Э.Д.Ершовым, П.И.Мельниковым, Н.П.Анисимовой, А.А Карпушиной, С.Е.Гречищевым, В.Н.Макаровым, Ю.С.Миренбургом, Н.К.Пекарской, Л.Т.Роман и другими, подтвердили особые физико-механические свойства засоленных мерзлых пород.

В целом особенности механического поведения засоленных мерзлых грунтов сводятся исследователями к следующим:

• отмечена повышенная сжимаемость засоленных вечномерзлых грунтов под нагрузкой. Величина ее зависит от температуры грунта и засоленности. С

повышением последней при постоянной отрицательной температуре осадка грунта значительно возрастает из-за изменения содержания в грунте незамерзшей воды;

• реологические свойства засоленных мерзлых грунтов также определяются пластическими свойствами смеси льда и раствора соли. Присутствие солей увеличивает ползучесть засоленных мерзлых грунтов по сравнению с незасоленными;

• длительная прочность засоленных мерзлых грунтов зависит от количества незамерзшей воды, уменьшаясь с ее ростом при росте засоленности. Кроме того, с ростом засоленности увеличивается значение скорости достижения деформации разрушения и уменьшение времени достижения разрушения.

• физико-механические характеристики мерзлых засоленных грунтов зависят не только от количества содержащихся в нем легкорастворимых солей, но также от их химического состава.

1 Теоретическим исследованиям процесса распределения солей в процессе промерзания уделялось значительное внимание в последние годы. Можно отметить исследования процессов промерзания в растворах NaCI {Terwiltiger, Dizio), КОН (Kvajic and Brajovic), HCl (Seidensticker), NaN03 (Kay and Groenveit), СаСОг (Hallet), в которых получены аналитические решения по вопросам зависимости скорости промерзания от концентрации и химического состава солей, температурного градиента, механизма тепло- и массопереноса в талых грунтах, кристаллографического строения и ориентации растворов.

Особенностью процесса диффузного перемещения молекул соли в вечномерзлых грунтах является наличие двухстороннего промерзания деятельного слоя (сверху и снизу). В связи с этим в массиве грунта возникают контрастные зоны: поверхностная и на небольшой глубине около 20-30 % от величины деятельного слоя. В околоповерхностной зоне наблюдаются более низкие значения засоленности, чем во второй зоне, что связано, во-первых, с процессом перераспределения соли в массив грунта, а, во-вторых, с миграцией растворов вслед за фронтом промерзания в глубь монолита. Во второй зоне увеличение засоленности, а соответственно и изменение температур в массиве, связано с миграцией фронта замерзания в процессе двухстороннего промерзания (сверху и снизу) массива.

Однако следует отметить, что в перечисленных работах рассматривались процессы проникновения солей в грунт во время полного замораживания или полного оттаивания небольших образцов грунта, что не отражает реальные процессы, происходящие в массиве вечномерзлых грунтов. Но, как известно, процессы оттаивания-промораживания затрагивают верхний (деятельный) слой при относительной температурной стабильности нижележащих слоев мерзлых грунтов

В связи с этим задача моделирования процесса проникновения солей в вечномерзлые грунты, наиболее полно соответствующего процессам в природе, весьма актуальна. Для этого необходимо было разработать:

• специальную методику, учитывающую физическую постановку задачи;

• методику проведения эксперимента;

• методику прогнозирования процесса.

Особенности проектирования на засоленных мерзлых грунтах нашли отражение в нормативной и справочной литературе (Указания по проектированию..., 1974; Справочник..., 1977; ГОСТ, 1984; СНиП, 1990). Вместе с тем в нормах не отражены результаты исследования влияния химического состава солей на прочностные характеристики грунтов.

Исходя из вышеизложенного, на основе системного подхода возможно сформулировать комплексную проблему геокриологических исследований при хозяйственном освоении вечномерзлых грунтов. Проблема включает в себя решение последовательного ряда задач: сбор исходных данных и оценка существующего положения - мерзлотный прогноз - эколого-экономическая оценка - управление геокриологической обстановкой -разработка и применение эффективных инженерных мероприятий, обеспечивающих при рациональных затратах надежность зданий и сооружений.

В настоящее время в геокриологии и смежных геологических, географических и инженерных науках разработаны достаточно надежные и корректные методы получения исходных данных и оценки существующей ситуации в исследуемом районе. Этому посвящены ставшие классическими исследования М.И.Сумгина, Н.А.Цытовича, С.С.Вялова, С.П.Качурина. Н.И.Толстихина, В.Ф.Трумеля, В.А.Кудрявцева, Б.Н.Достовалова, А.И.Попова,

П.А.Шумского, П.Ф Швецова, П.И.Мельникова, Э.Д.Ершова, В.Т.Трофимова, Н.Ф.Полтева и других ученых. Дальнейшее углубление исследований в этом направлении успешно осуществляется в МГУ, Институте мерзлотоведения СО РАН, ПНИИС, ВСЕГИНГЕО, ВНИИОСП им Н.М.Герсеванова, ВНИИГ им. Веденеева, МГСУ и других организациях.

Главное требование к сбору исходных данных - это их представительность и достоверность. Однако следует отметить, что, в силу специфики мерзлых грунтов как сложной динамичной многофазной системы, нельзя точно сказать, насколько материалы инженерно-геологических изысканий отражают реальные состав и свойства геологической среды, в какой мере построенная инженерно-геологическая модель сходится с реальными условиями. Вопрос качества испытаний стоит очень остро. В материалах изысканий приводятся однозначные данные, хотя количественная мера практически любого параметра инженерно-геологической обстановки фактически находится в каком-то интервале значений.

При рассмотрении всего комплекса инженерно-геологических работ, повсюду видна аналогичная картина - вероятная ошибка результата работ не оценивается вовсе или оценивается не полностью.

Следующий этап - мерзлотный прогноз - служит "основой управления мерзлотной средой". Сущность его заключается в «предвидении ожидаемого изменения мерзлотных условий в процессе естественного развития природы, а также в результате антропогенного воздействия на составляющие природной среды».

Методы мерзлотного прогноза, моделирование геокриологических процессов в изменяющейся природной и техногенной обстановке, составление прогнозных карт разработаны в трудах В.А.Кудрявцева, Э.Д.Ершова, С.Е.Гречищева, Л.С.Гарагули, Л.Н.Хрусталева, Г.М.Фельдмана, Г.В.Порхаева, А.В.Павлова, В.В.Баулина, НН. Романовского, Л.Т.Роман и других исследователей. Характерно, что наиболее точные прогнозы разрабатываются на основе учета и анализа комплекса взаимодействий геологических, физико-географических и техногенных явлений и процессов.

Анализ методов прогнозирования показывает, что для построения прогностических моделей больших систем применение детерминированных или

вероятностных методов не дает ожидаемого эффекта в силу либо больших допущений, либо чрезмерной сложности описываемой системы и, как следствие, аппроксимирующей модели. Поэтому задача создания адекватной прогностической модели остается весьма актуальной.

Следует отметить ключевое значение мерзлотного прогноза при хозяйственном освоении вечномерзлых грунтов, так как его отсутствие может быть причиной непредставительности оценки существующего положения в плане методик или сбора достаточного количества исходных данных. Последующие же задачи в такой ситуации теряют научную основу. Поэтому геокриологический прогноз становится необходимым элементом геокриологических, инженерно-геологических, гидрогеологических и других исследований в области распространения вечномерзлых фунтов.

Под управлением геокриологическими процессами понимается такое воздействие на составляющие природного и техногенного комплексов, которое обусловливает развитие мерзлотной обстановки в нужном для народного хозяйства направлении, максимально способствует сохранению экологического равновесия и, с использованием оптимально приемлемых затрат, обеспечивает длительную безаварийную эксплуатацию объектов.

Вопросы управления мерзлотными процессами освещены в работах

B.А.Кудрявцева, Э.Д.Ершова, Л.Н.Хрусталева, С.С.Вялова, А.А.Коновалова, Ю.С.Миренбурга, А.В Павлова, Н.А.Бучко, Р.М.Каменского, В.И.Макарова,

C.И.Танеева, Л.А.Наумовой, И.К.Растегаева, В.И.Гребенца и других исследователей. Проблемы управления мерзлотной обстановкой наиболее полно раскрыты в работах, которые не только показывают те или иные технические аспекты инженерных мелиораций, но и отображают изменения мерзлотных условий, связанных с техногенными воздействиями при использовании различных методов управления мерзлотными процессами.

Поскольку температура пород локального участка «является случайной функцией времени, зависящей от множества природно-климатических и техногенных факторов», то выбор конкретного мероприятия и его технических параметров для ликвидации негативных последствий техногенеза и улучшения инженерно-строительных свойств многолетнемерзлых пород на вновь осваиваемых или застроенных территориях в криолитозоне должен

осуществляться на основе прогноза изменения геокриологических условий при конкретном техногенном воздействии.

Следует отметить, что данные экспериментов разных авторов обладают существенной неоднородностью как самих показателей, так и уровней их ошибок. Это приводит к неоднозначности интерпретации указанных результатов применительно к задачам практики, что объясняется отсутствием единого методологического подхода к постановке экспериментов и описанию их результатов. При этом изучение физико-механических свойств засоленных мерзлых грунтов следует проводить не только на макро, но и на микроуровне, что должно привести к качественно новому пониманию процессов, происходящих в массиве грунта. Отсюда вытекает необходимость обобщения и стандартизации методики проведения и описания результатов экспериментов для возможности создания банка данных результатов разных авторов с последующей их обработкой как единого «мирового» эксперимента.

8 работе содержатся сведения о климатических условиях района, данные о составе, распространении, температурах, строении многолетнемерзлых и талых пород, о гидрогеологических особенностях, а также об экзогенных геологических процессах и явлениях. Большое внимание уделено анализу влияния техногенных нарушений на геологическую среду в Норильском промышленном районе. Разработаны классификации факторов техногенных нарушений и техногенных геологических процессов и явлений, обобщающие опыт многолетних наблюдений, проводимых различными организациями. Сделан вывод о том, что современное экологическое состояние мерзлотных комплексов Норильского региона, сформировавшееся под активным воздействием техногенных преобразований, можно охарактеризовать как крайне неудовлетворительное.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОЛЕНИЯ

НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТОВ

В главе приведены экспериментальные данные комплексных исследований состава, структуры и физико-механических свойств глинистых

грунтов, засоленных различными солями и их смесями. Это обусловлено необходимостью получить сопоставимые данные по широкому спектру микро- и макропроцессов, происходящих в грунтах при изменении их засоленности.

Исследования природных и искусственно засоленных глинистых грунтов выполнены по методической схеме, разработанной в лаборатории грунтоведения Института земной коры СО РАН д.г-м.н. Т.Г.Рященко и включающей определение комплекса показателей, которые разделены на четыре группы, структурную (характеризующую структурные элементы, тип структурных связей и типы структур), химическую (показатели химического состава и физико-химических свойств), физическую (показатели физического состояния и свойств) и механическую (показатели деформационных и прочностных свойств).

В качестве объектов исследования использовались три типа природных глинистых грунтов (отбор проб и их геологическое описание выполнены совместно с Норильской комплексной геологоразведочной экспедицией).

Тип 1. Супесь из скважины СЛ-6 с глубины 33.8-34.7 м; скважина расположена в 17 км к северо-западу от г.Дудинка в пределах Северо-Левинского месторождения песков. Супесь серого цвета, в воздушно-сухом состоянии — пылеватая, сыпучая. В месте залегания супесь находилась в многолетнемерзлом состоянии.

Тип 2. Суглинок из скв. С-26 с глубины 30 м; скважина расположена около горы Зуб в районе г.Норильска. Суглинок серый, с примесью песка и гравия, в месте залегания находился в многолетнемерзлом состоянии, имел массивную криогенную структуру.

Тип 3. Глина из скважины С-26 с глубины 32 м, серого цвета с желтовато-голубоватым оттенком, пылеватая, встречаются мелкие (3-5 мм) плиточки серых аргиллитов.

Каждый из трех образцов грунта насыщался растворами хлорида, сульфата и бикарбоната натрия с концентрациями 2,5 , 5,0 ,10,0 , 15,0 %. Эти соли наиболее часто встречаются в поровом грунтовом растворе в Норильском промышленном районе. Затем готовились смеси комплексных солей из растворов хлорида и сульфата натрия в соотношениях 0,5/1 и 2/1 при

концентрации раствора 5 и 15% и с соотношением 1/1 при концентрации - 10%. Таким образом, 12 проб насыщались различными солями с увеличением их концентрации и 5 проб - смешанными солевыми растворами. Общее количество засоленных разновидностей для супеси, суглинка и глины равнялось 51.

Лабораторные исследования включали определение следующих показателей:

• гранулометрического состава с расчетами шести коэффициентов микроагрегатности;

•химического состава водной, солянокислой и щелочной вытяжек; •состава минералов глинистой фракции (менее 0,001 мм), •плотности минеральной части грунта; •седиментационного объема; •рН;

•пределов и чисел пластичности; •относительного набухания; •сцепления и угла внутреннего трения;

• длительной прочности. Результаты исследований показали, что:

1. Исследованные разновидности природных глинистых грунтов различаются по структурным диаграммам, что является главной причиной их различного поведения при засолении. Супесь характеризуется отсутствием пластичности и набухания, что связано с особенностями ее структуры и составом минералов глинистой фракции; суглинок и глина относятся к слабопластичным и практически ненабухающим (относительное набухание менее 4%) грунтам по тем же причинам.

2. Прочность в ряду супесь-суглинок-глина закономерно увеличивается, однако существенных различий не наблюдается, так как идентичны вещества, обеспечивающие структурные связи в агрегатах и между ними; в то же Бремя значительно изменяется угол внутреннего трения, что определяется размерами и строением агрегатов.

3. Природные грунты слабо засолены, карбонаты (преобладают железистые соли) содержат полуторные окислы и подвижные формы окиси

алюминия, которые вместе с первичными пылеватыми и мелкоглинистыми частицами частицами в сумме представляют «цемент», создающий определенную величину сцепления.

4. Искусственное засоление (загрязнение) грунтов резко увеличивает по сравнению с природным фоном количество катионов натрия (в 30-140 раз) В результате реакций обмена в поровый раствор поступают кальций и магний. В итоге собирается «компания» диспергаторов и коагуляторов, которая приводит в действие соответствующие процессы. Одновременно начинает действовать фактор избирательности, отражающий тип насыщающего раствора и особенности структурной диаграммы природного грунта. Установлено, что наиболее пассивным является раствор бикарбоната натрия, так как он не дает резкого прибавления катионов натрия.

5. Анализ вытяжек и сравнение данных природного грунта и его засоленных разновидностей хорошо увязываются с процессами диспергации и коагуляции. Если в вытяжке отмечается увеличение компонентов и появление новых, идет разрушение агрегатов, и данные компоненты освобождаются. Если их количество сокращается, значит, формируются новые агрегаты, которые данные вещества захватывают. В супеси преобладает диспергация, а в суглинке и глине те и другие процессы действуют одновременно, поэтому наблюдаемая картина в изменении компонентов разнообразна.

Анализ результатов выполненных исследований показал, что изучение процессов, происходящих в грунте при техногенном засолении на микроуровне позволяет получить необходимую информацию для объяснения макропроцессов. В связи с этим можно сделать вывод о том, что комплексное сочетание исследований на микро- и макроуровне есть необходимое условие для построения адекватной прогностической модели, соответственно для более точного прогноза изучаемых явлений.

Результаты экспериментов, представленные во второй главе, послужили основой для определения и корректировки стратегии дальнейших исследований засоленных грунтов в мерзлом состоянии.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОЛЕНИЯ

НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

В третьей главе представлены результаты исследований влияния степени засоленности, химического состава солей, температуры на физико-механические свойства мерзлых грунтов. Представлены результаты микроструктурных исследований на базе электронно-микроскопического метода анализа. Также представлена разработанная автором методология физического моделирования процесса техногенного засоления мерзлых грунтов и результаты лабораторных исследований, выполненных на ее основе.

Данная серия экспериментов была выполнена совместно с Университетом Калгари (Канада). Для испытаний использовался суглинок с испытательного полигона университета. В качестве добавок к грунту использовалось три типа солей, а именно хлорид натрия, сульфат натрия и бикарбонат натрия. Концентрация солей в растворах во время опытов изменялась от 0 до 15 %. Испытания включили в себя:

• определение физических свойств грунта;

• определение прочности грунта на сжатие (диапазон температур от +20 °С до -20 °С);

• микроструктурные исследования;

• исследования процесса техногенного засоления мерзлых грунтов. Полученные экспериментальные данные позволяют констатировать

следующее.

• Физические свойства грунта изменяются с увеличением содержания в нем солей. Характер этих изменений зависит от типа засоления. Особенно это влияние заметно на изменении рН и электропроводности грунта.

• Значение прочности на сжатие грунта уменьшается с повышением температуры и концентрацией солей. Эффект влияния засоленности на прочность грунтов при температурах, близких к температуре начала замерзания, более силен, чем при низких температурах. Наибольшее влияние на прочностные характеристики грунта оказывают соли Л/аС/, однако при низких температурах (-20°С) влияние всех типов солей нивелируется.

• Физические и механические свойства грунтов в значительной степени зависимы от типа засоленности, следовательно, для более точного предсказания поведения засоленных мерзлых грунтов необходимо учитывать тип солей, присутствующих в грунте.

Проведенные экспериментальные исследования микроструктуры засоленного грунта с помощью РЭМ позволили отметить трансформации морфологических изменений при увеличении степени засоленности грунтов: от солевых «мостиков» (при 2,5 % Л/агЭО^) до полного покрытия частиц солью (при 15 °/0 N32804) В образцах грунта, засоленных Л/аС1, наблюдаются аналогичные явления с гораздо большей интенсивностью и толщиной солевых пленок. При засолении ЫаНСОз происходит видимое изменение микроструктуры грунта при резком увеличении солевых образований на поверхности частиц и выделении отдельных кристаллов соли по мере увеличения засоленности. Последнее свидетельствует о слабой химической связи соли ЫаНСОз с глинистыми частицами.

Представляется целесообразным углубить и развить изучение детального механизма физико-химического взаимодействия солей с частицами грунта с привлечением различных методов и методик, что должно способствовать повышению качественных и количественных оценок влияния степени и характера засоленности не только на физико-механические свойства грунтов, но и на стойкость фундаментов и других конструкций, находящихся в деятельном слое мерзлых грунтов.

Были выполнены исследования по физическому моделированию процесса техногенного засоления мерзлых грунтов. Установлена необходимость соблюдения общепринятых критериев подобия и условий моделирования, сформулированы методологические требования к испытаниям, условия перехода от лабораторных экспериментов к натурным данным, регламентируемые критериями подобия.

Задача проникновения солей в грунт в процессе попеременного цикличного оттаивания - промерзания сведена к одномерной.

При граничных условиях I рода условие равенства чисел Фурье натуры (п) и модели (т) имеет вид:

Аптп

/Л

где Л - коэффициент температуропроводности; г - время; - линейный размер деятельного слоя.

Поскольку грунт в опытах, как правило, выбирают идентичным натуре, то Ал = Ат. Значение /.„ рассчитывают по различным методикам, например, СНиП. Задав ¿.т, время оттаивания будет равно из уравнения (1):

I (2)

В формуле (2) г, определяется по фактическому периоду с

положительными температурами для данной широты (СНиП). Количество тепла О, поступающего на единицу поверхности Я модели за период времени г„,, определяют по уравнению Фурье:

1 Л' {>

где X - коэффициент теплопроводности; Т - текущая температура деятельного слоя.

При стационарном тепловом потоке уравнение (3) можно приближенно представить в виде:

И)

г /,, - Л,

г

Здесь индексами I, э обозначены температуры в деятельном слое грунта и на его поверхности.

Из уравнения (4) при заданных для модели температурах Т8, Т|, линейных размерах Ц, Ц и времени г = г„ искомое количество тепла определяется по формуле:

а ^ (5)

Следует отметить, что в результате экспериментов по данной методике удалось получить картину распределения засоленности в толще грунта при циклическом промораживании и оттаиваниии, качественно схожую с наблюдаемой при натурных исследованиях по данным многих авторов Это подтверждает адекватность наблюдаемых в эксперименте явлений реальным процессам в природе при техногенном засолении мерзлых грунтов. Вопрос же перенесения лабораторных данных на натуру должен решаться с помощью критериальных уравнений типа (2).

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ВЛИЯНИЯ НА ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

В главе 4 излагается новый подход к проблеме прогнозирования вообще и техногенного влияния на геомеханические процессы в вечномерзлых грунтах, в частности. В основу его положен синтез идей теории нечетких множеств и планирования экспериментов. Показано, что такой синтез методологически наиболее близок к получению адекватной информации об изучаемом явлении от специалиста-эксперта, а аппроксимирующее обобщение ее в виде полиномиального уравнения обладает всеми качествами прогностических моделей.

Анализируя результаты большинства задач инженерно-геологических изысканий, следует отметить, что их приходится решать в условиях неопределенности (нечеткости) исходной информации, особенно при прогнозных оценках развития геологических и геоэкологических процессов.

Причины неопределенности могут быть представлены в виде дерева (рис. 1). В верхнем уровне этого дерева представлены главные причины, характеризующие количество отсутствующей информации об элементах задачи. Неопределенность информации для решения задач предметной области определяется тремя составляющими:

• сложностью строения грунтового массива как объекта исследований;

• неполнотой знаний о состоянии массива фунтов как на отдельном участке, так и в целом, что связано с недостаточной определенностью наших конкретных знаний;

• нечеткостью ситуации, свойственной большинству, если вообще не всем, понятиям, что связано с отсутствием точных границ областей определений.

Рис. 1. Классификация причин неопределенности в решении задач предметной области

Второй уровень дерева указывает общие причины неопределенности информации в области изысканий:

• неизвестность. В ситуации неизвестности, например, на первых стадиях изучения задачи, когда еще не выработаны требования к критериям оценки, когда неизвестны требования заказчика или возможности исполнителя, а также, когда информация о проблеме практически отсутствует;

• недостоверность. При сборе данных на первом этапе исследований может оказаться, что собранная информация обладает недостоверностью, поскольку имеются еще не все возможные и необходимые сведения, а для некоторых элементов определены не их однозначные описания, а лишь множества, которым эти описания принадлежат;

• неадекватность. Неадекватность является мерой оценки степени знаний, информации, модели и т.д. о данном явлении и возможности применения их на практике. При этом существенным является методологически обусловленное применение или разработка критериев оценки адекватности.

Продолжение исследований должно привести либо к адекватному описанию явлений моделями, либо неадекватному, когда собрана вся возможная информация, но полного описания нет и оно не может быть получено этим путем.

Используемый для анализа математический аппарат обычных множеств оказывается недостаточно эффективным при решении задач предметной области. В работе показано, что проблема может быть решена путем отказа от традиционных математических моделей через применение размытости и методов теории нечетких множеств (ТНМ), а именно ТНМ с использованием языка, близкого к естественным человеческим понятиям и представлениям. Л.Заде ввел понятие лингвистической переменной, позволяющей адекватно отобразить приблизительное словесное описание предметов и явлений, когда детерминированное описание отсутствует или невозможно в принципе сделать соответствующий вывод.

Использование лингвистических переменных характерно для человеческой деятельности, связанной с приближенными рассуждениями. При создании системы, которая имитирует такую деятельность, требуется создавать математические модели, позволяющие, с одной стороны, представлять эти переменные, с другой - использовать нетрадиционные методы для их обработки. ТНМ и нечеткая логика составляют основу лингвистического подхода, при котором переменные, описывающие модель предметной области, могут принимать лингвистические значения. Лингвистическая переменная характеризуется набором из компонентов

Обеспечение надежности и достоверности полученных в работе результатов или выводов по экспериментальным данным в нечеткой информационной среде достигнуто обоснованием и применением теории планирования экспериментов

Алгоритм построения модели в нечеткой среде с использованием лингвистических переменных выглядит следующим образом:

1. Определение факторного пространства изучаемого явления;

2. Определение границ оппозиционной шкалы и термов по каждому фактору;

3. Подготовка матрицы опроса;

4. Кодирование факторов-ЛП (перевод в метрику);

5. Расчет коэффициентов полинома

Г =А+¿ял*..

где ] ^ и, по методу наименьших квадратов;

6. Оценка ошибки численного эксперимента;

7. Оценка значимости коэффициентов полинома;

8. Оценка адекватности полинома со значимыми коэффициентами экспертной оценке изучаемого явления;

9. Оценка адекватности полученной модели изучаемому явлению;

10. Оценка адекватности модели изучаемому явлению по критерию Фишера в виде = Л'^ / Л'^, <

Представленный алгоритм построения адекватной прогностической модели проиллюстрирован на рис. 2.

В качестве пояснения к алгоритму построения прогностической модели отметим:

Определение факторного пространства включает в себя:

• определение максимально большего числа влияющих факторов;

• выделение существенно влияющих факторов;

• выбор линейно-независимых и управляемых факторов. Определение границ оппозиционной шкалы включает в себя:

Рис. 2 Алгоритм построения прогностической модели

• определение количественной оценки нижней и верхней границ выбранного фактора - ЛП;

• определение количества делений (терм-множеств) разбиения шкалы и их названий;

• определение степени «размытости» - нечеткости понятия (определение а и /? , значения терма а).

Подготовка матрицы опроса эксперта (продукции) выполняется согласно методам теории планирования экспериментов с учетом дробности полного факторного экспериментами этом количество обращений к эксперту = 2П, где п - число факторов или 2пр, где р - степень дробности полного факторного эксперимента).

Кодирование факторов-ЛП заключается в преобразовании щкалы названий термов в метрику на интервале [-1 ,+1].

Расчет коэффициентов полинома заключается в переводе зависимых ЛП (Y) в четкую шкалу и выполнении традиционных действий с матрицей опроса, принятых в теории планирования эксперимента.

Оценка ошибки численного эксперимента первоначально заключается либо в сравнении значения свободного члена полинома bo с оценкой мнения эксперта в центре планирования факторного пространства изучаемого явления.

Оценка значимости коэффициентов полинома заключается в исключении коэффициентов полинома, значение которых ниже ошибки их определения по 1 - критерию Стьюдента.

Оценка адекватности полинома со значимыми коэффициентами экспертной оценке изучаемого явления заключается в сопоставлении между собой расчетных значений по полиному и экспертных оценок изучаемого явления (а также по алгоритму «необходимость-возможность» - NEC - POS);

Оценка адекватности полученной модели изучаемому явлению заключается в сопоставлении расчетных значений по полиному и фактических (экспериментальных, по литературным источникам и т.д.) значений традиционными статистическими методами (по /•'- критерию Фишера в виде

/•' = 5;/-О;

Оценка адекватности модели изучаемому явлению по критерию Фишера в виде /•;„„., ;„/.£„ < Гт11т

Данная методика и алгоритм построения прогностической модели были использованы при моделировании прочности засоленных мерзлых грунтов и процесса техногенного засоления мерзлых грунтов.

Для прогнозирования техногенного влияния на прочностные характеристики мерзлых грунтов (У - прочность на сжатие засоленного мерзлого грунта) были выбраны четыре фактора в виде входных лингвистических переменных, наиболее информативных при потере несущей способности засоленных мерзлых грунтов:

• Х1 - тип грунта, песок - глина;

• Хг - концентрация солей в растворе, °/0;

• Х3 - состав солей, ЫаС1 - МагЭОд;

• Х4 - состояние грунта, пластичномерзлое - твердомерзлое.

В нечетком виде рассматриваемые лингвистические переменные представлены на рис. 3.

Результирующее уравнение в кодированном масштабе имеет вид:

У = 8.19+ 0.63 X, -1.5 Хг-0.38 Х3 + 1.75Х, + 0.44 Х2Х3-

-0.81 Х2Х4-0.195Х, Х2Х4 + 0.5Х2Х3Х4 + 0.125Х,ХзХ4 (6)

В уравнении представлены только значимые коэффициенты (оценка ошибки эксперта составила всего 0.12 при уровне значимости 0.05).

Проверка адекватности уравнения (6) проведена путем сравнения расчетных значений с результатами экспериментов, выполненных на суглинках. Сопоставление расчетных по уравнению (6) и экспериментальных значений прочности мерзлого грунта на сжатие показывает их хорошую сходимость. Высокую степень адекватности расчетных значений экспериментальным подтверждает и значение коэффициента корреляции г = 0.9.

Следует отметить, что уравнение (6) имеет явно нелинейный характер. При этом значимыми оказались даже тройные взаимодействия, которые имеют физический смысл. Например, Х1Х3Х4 можно интерпретировать как характеристику комплексного влияния солевого состава и температурного

Х1 - тип грунта

песок супесь-суглинок глина

-1 О 1

Хг - концентрация раствора соли, о/оо

слабая ниже средн. выше высокая очень

средней средней высокая

О 60 100 150

Хз - тип засоленности

только №С1 поровну №С1 и ЫагЭО 4 только №2804

-1 О 1

Х4 - температурное состояние грунта

пластичномерзлое между пластично и твердомерзлое твердомерзлым

-10 1

У - прочность на сжатие засоленного мерзлого грунта, МПа

очень слабая средн. выше высокая слабая среднего

О 0 25 0.5 0 75 1 1 25 1.5

Рис. 3 Факторное пространство для моделирования прочности засоленных

мерзлых грунтов

состояния грунта на его прочность; Х2Х4 - показатель влияния концентрации солей в грунте и температурного состояния грунта на его прочность; Х2Х3 -показатель влияния концентрации солей и типа засоленности на прочность грунта и т.д.

Аналогичным образом получено результирующее уравнение увеличения толщины деятельного слоя при техногенном засолении мерзлых грунтов. В кодированном виде оно имеет вид:

У= 16.9+ 11.9 Х2-8.1 Х3-11.9X5 +5.6 X, Х2 +5.6X2X4 +

+ 4.4X4X5 + 4.4 X, Х2Хз+ 11.9X3X4X5, (7)

где кроме переменных Х1 - Х4 (см. рис.?) введены дополнительные Х5 -толщина деятельного слоя в метрах и У - увеличение толщины деятельного слоя в %.

Комплекс экспериментальных исследований, результаты моделирования прочности засоленного мерзлого грунта и процесса техногенного засоления мерзлых грунтов подтвердили правомерность теоретических положений и позволили разработать методику прогнозирования техногенного влияния на геомеханические процессы в вечномерзлых грунтах.

ГЛАВА 5. ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ОСВОЕНИИ ОБЛАСТИ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

В главе 5 приведены результаты комплексного подхода к исследованию крупного гидротехнического сооружения, построенного на вечномерзлых грунтах, на примере плотины хвостохранилища Надеждинского металлургического завода. При этом впервые применены нетрадиционные методы исследования температурного режима тела плотины и определения путей миграции влаги (тепловиэионная съемка) и температурного режима основания плотины (прогностическая модель по методике гл.4 в виде полиномиального уравнения). Синтез различных методов и методик при таком

комплексном подходе позволил очертить, кроме всего, пути системного подхода к изучению и протезированию поведения крупномасштабных явлений в природе или промышленных объектов при их долгосрочной эксплуатации.

Проект I очереди хвостохранилища выполнен в 1975 году на емкость 10 млн.м3. При этом объем поверхностного стока составляет 2.8-4.5 млн.м3 в год. В состав основных гидротехнических сооружений входят:

• русловая плотина

• скважинная дренажная завеса с насосной станцией

• локальное хвостохранилище

• сооружения по перехвату и отводу поверхностного стока.

Выбор типа русловой плотины, сопряжения ее с основанием произведены с учетом геологии основания, ограничений фильтрационного расхода через основание и тело плотины, наличия местных строительных материалов и методов производства работ предопределило каменно-набросный тип плотины с экраном из полиэтиленовой пленки:

Основание плотины сложено аллювиальными и моренными гравийно-галечниковыми отложениями с песчаным, супесчаным и суглинистым заполнителем мощностью 5-10 м, которые находятся в мерзлом состоянии. Подстилаются глинистые грунты разрушенной и сильно водопроницаемой скалой.

Выполненные теплотехнические расчеты показали, что при отсутствии фильтрации через тело плотины основание плотины сохранит мерзлое состояние, обеспечивающее устойчивость и надежность работы сооружения Как показывают результаты натурных наблюдений за плотиной, указанное условие не выполняется.

Впервые признаки протечек через плотину установлены в процессе испытаний плотины 1 очереди при заполнении чаши хвостохранилища талыми водами и атмосферными осадками еще в 1983-84 гг. На сегодняшний день объем максимальных протечек через тело плотины достиг 5000 м3/час.

Анализ результатов наблюдений ставит проблему дальнейшей эксплуатации хвостохранилища в связи с возможным растеплением грунтов основания плотины. Предварительный расчет показал, что возможная просадка

основания плотины в связи с растеплением грунтов может составить от 1.35 до 2.15 м и привести к аварийному состоянию сооружения.

Не меньшее значение имеет и возникающая в связи с этим экологическая проблема Данные натурных наблюдений показывают резкое увеличение химического загрязнения в реках ниже плотины по течению. Следы загрязнения в поверхностных водотоках отмечаются (по данным Управления геологических работ АО «Норильский комбинат») на расстоянии до 15 км.

В связи с этим возникает необходимость оценить геотермические изменения основания плотины под воздействием высокотемпературных протечек пульпы. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

• установить пути фильтрации сточных вод через тело плотины с целью ее снижения или полной ликвидации;

• выполнить прогноз изменения геотермического состояния основания плотины для оценки устойчивости плотины.

Для установления путей фильтрации в течение 1996 года были проведены натурные замеры расхода фильтрационного потока через тело плотины, температур, химического состава фильтрующегося потока в нижнем бьефе и температур грунтового основания тела плотины.

Впервые для определения зон инфильтрации через тело и по основанию плотины были использованы тепловизионные методы диагностики, что позволило с минимальными затратами решить поставленную задачу.

С применением разработанной нами методики удалось построить прогностическую модель для количественных оценок состояния сооружения. Количественные оценки состояния плотины при существующих значениях факторов ее эксплуатации дают неутешительный прогноз, если не принять в ближайшее время инженерных мероприятий, направленных на предотвращение чрезвычайной ситуации.

Возможность изменения факторного пространства делает методику универсальной для изучения любых сложных плохо формализуемых явлений, информация о которых недостаточно точна или отсутствует вовсе.

Состоятельность и достоверность выполненного прогноза обусловливает комплексный подход, примененный к изучению состояния сложного объекта,

описывающий происходящие явления с различных сторон, как на количественном, так и на качественном уровне (натурные наблюдения за состоянием плотины, измерения уровня загрязнения рек бассейна расположения плотины, тепловизионные наблюдения, прогностическое уравнение на логико-лингвистических переменных) и независимость использованных методик.

В заключении сформулированы основные выводы, определяющие теоретическую, методическую и практическую значимость работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Сформулирована проблема геокриологических исследований при хозяйственном освоении вечномерзлых грунтов. Проблема включает решение ряда последовательных задач: сбор исходных данных - оценка существующего положения - мерзлотный прогноз - эколого-экономическая оценка - управление геокриологической обстановкой -разработка и применение эффективных инженерных мероприятий, обеспечивающих при рациональных затратах надежность зданий и сооружений.

Выявлено ключевое значение мерзлотного прогноза в составе указанной проблемы, так как его отсутствие указывает на непредставительность оценки существующего положения в плане методик или сбора достаточного количества исходных данных, а последующие задачи теряют научную основу.

2. Выполнен анализ техногенных факторов, вызывающих изменение геокриологических процессов в Норильском промышленном районе. Сделан вывод, что современное экологическое состояние мерзлотных комплексов Норильского региона, сформировавшееся под активным воздействием техногенных преобразований, можно охарактеризовать как крайне неудовлетворительное. Регион может служить крайней точкой шкалы, показывающей негативные воздействия техногенеза на инженерно-строительные свойства грунтов на Севере России. Поэтому анализ техногенного влияния на вечномерзлые основания на примере Норильского промышленного района является актуальным и может служить основой для

разработки методики прогнозирования их влияния для поиска технических решений, позволяющих не только добиться стабилизации обстановки, но и провести рекультивационные мероприятия, направленные как на улучшение экологии криолитозоны, так и на обеспечение надежности эксплуатируемых зданий и сооружений.

3 Отмеченное отсутствие единого методологического подхода к проведению экспериментов и описанию их результатов не позволяет дать адекватную оценку получаемым значениям физико-механических свойств засоленных грунтов. В связи с этим проведены комплексные исследования состава, структуры и физико-механических свойств засоленных глинистых грунтов с единой позиции как в талом, так и в мерзлом состояниях, которые показали, что изучение процессов, происходящих в грунте при техногенном засолении на микроуровне, позволяет получить необходимую информацию для объяснения макропроцессов. В связи с этим можно сделать вывод о том, что комплексное сочетание исследований на микро- и макроуровнях есть необходимое условие для построения адекватной прогностической модели.

4. Физические и механические свойства грунтов в значительной степени зависимы не только от содержания в них солей, но и от типа засоленности. Особенно это влияние заметно на изменении рН и электропроводности грунта, 5 Отмечены трансформации морфологических изменений при увеличении степени засоленности грунтов: от солевых "мостиков" (при 2,5 °/о ШгБО^ до полного покрытия частиц солью (при 15 °/0 МагЭОД В образцах грунта, засоленных №аС1, наблюдаются аналогичные явления с гораздо большей интенсивностью и толщиной солевых пленок. При засолении ЫаНСОз происходит видимое изменение микроструктуры грунта при резком увеличении солевых образований на поверхности частиц и выделении отдельных кристаллов соли по мере увеличения засоленности. Последнее свидетельствует о слабой химической связи соли ЫаНСОз с глинистыми частицами. Это объясняет то, что эффект влияния засоленности на прочность грунтов при температурах, близких к температуре начала замерзания, более силен, чем при низких температурах. Наибольшее влияние на прочностные характеристики грунта оказывают соли №С1 , однако при низких температурах (-20 °С) влияние всех типов солей нивелируется.

6. Разработана методология физического моделирования процесса техногенного засоления мерзлых грунтов. На ее основе создана и апробирована специальная методика проведения испытаний. В результате экспериментов по данной методике удалось получить картину распределения засоленности в толще грунта при циклическом промораживании и оттаиваниии, качественно схожую с наблюдаемой при натурных исследованиях по данным многих авторов. Это подтверждает адекватность наблюдаемых в эксперименте явлений реальным процессам в природе при техногенном засолении мерзлых грунтов. Методика позволяет переносить лабораторные данные на натуру.

7. Изучено современное состояние информационной среды по данным инженерно-геологических изысканий и показано, что по сути своей она является нечеткой. Показана настоятельная необходимость применения теории нечетких множеств к описанию результатов инженерно-геологических изысканий и выполнению прогноза геокриологических процессов на их основе. Предложен принципиально новый подход к получению и обработке геокриологической информации. Разработана методика и методология применения формализации экспертной информации при логико-лингвистическом описании сложных систем. Изложена методология применения разработанной модели и создан алгоритм применения разработанной методики. Возможность изменения факторного пространства делает методику универсальной для изучения любых сложных плохо формализуемых явлений, информация о которых недостаточно точна или отсутствует вовсе.

8. Данная методика и алгоритм построения прогностической модели были использованы при моделировании прочности засоленных мерзлых грунтов и процесса техногенного засоления мерзлых грунтов. Применение разработанной методики было выполнено впервые для прогноза температурного режима основания плотины хвостохранилища Надеждинского металлургического комбината.

9. Впервые для определения зон инфильтрации через тело и по основанию ' плотины были использованы тепловизионные методы диагностики, что позволило с минимальными затратами решить поставленную задачу.

10. С применением разработанной нами методики удалось построить прогностическую модель для количественных оценок состояния сооружения.

11. Выполненный комплекс экспериментально-теоретических исследований

подтвердил работоспособность и корректность концептуальных положений

диссертационной работы:

• системность подхода к проблеме техногенного влияния на геокриологические процессы;

• разработка принципиально новых методов и методик обработки, извлечения и интерпретации информации;

• повышение достоверности прогнозных оценок;

• универсальность подхода к проблеме.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах: Учебное пособие /Завод-ВТУЗ при НГМК им.А.П.Завенягина - Норильск, 1989. - 60 с. (соавтор Неклюдов B.C.)

2. Многофункциональные комбинированные фундаменты на вечномерзлых грунтах //Основания, фундаменты и механика грунтов. 1992. № 5. - С. 26 -28. (соавторы Неклюдов B.C., Таргулян Ю.О.)

3. Оптимизация конструкций свайных фундаментов каркасно-панельных зданий //Сб.докладов конф. "Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья -1990". Чита, 1992. - С. 46 - 48. (соавтор Неклюдов В.С)

4. Примеры расчета оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах: Учебное пособие /Норильский индустр.ин-т. Норильск, 1991. -143 с. (соавтор Неклюдов B.C.)

5. Способ возведения свайного фундамента. A.C. СССР № 1655142, 1991. (соавтор Неклюдов B.C.)

6. Способ усиления свайного фундамента зданий, сооружений. A.C. СССР № 1715990,1991. (соавторы Неклюдов B.C., Кардашев И.П.)

7. Об устойчивости скважин, образованных в мерзлых грунтах станками ударно-канатного действия. Яр. ин-та ВНИИОСП им.Н.М.Герсеванова, вып.93, 1991. - С. 34 - 40. (соавторы Неклюдов B.C., Ахпателов Д М.)

8. Способ укрепления берегового грунтового массива. A.C. СССР № 1635620, 1990. (соавторы Неклюдов B.C., Латышев В В. , Хлопук Л.Ю., и др.)

9. Устройство для разрушения голов свай. A.C. СССР № 1622523, 1990. (соавторы Юнушков С В., Лялин В В.)

Ю.Способ возведения буронабивной сваи. A.C. СССР № 1753741, 1992. (соавтор Юнушков С В.)

11.Обсадная труба для свай. A.C. СССР № 1749382, 1992. (соавторы Вершинин Б.А., Вершинина И.Б.)

12.Климатогеографические особенности Норильского региона и их влияние на производственную деятельность предприятий, /Норильский индустр.ин-т. -Норильск, 1993 -43 с, (соавтор Шкляров Н.Д.)

13. Способ определения несущей способности моделей свай. Патент РФ, № 2005852, 1994. (соавтор Фигуровский E.H.)

14.Устройство для определения несущей способности моделей свай. Патент РФ, № 2005851, 1994. (соавтор Фигуровский E.H.)

15 Влияние засоленности на физико-механические свойства мерзлых грунтов //Сб.науч.трудов НИИ. Строительство. Механика. Норильск, 1995. С.3-11.

16. Использование линейно-наследственных соотношений Больцмана-Вольтерра для описания деформационных свойств мерзлых грунтов //Сб.науч.трудов НИИ. Строительство. Механика. Норильск, 1995. С. 11-19. (соавторы Семенец С И., Зеленев Ю.В.)

17.Способ определения прочности многолетнемерзлых грунтов в условиях Крайнего Севера //Механизация строительства. 1995. Na 12. - С. 4-6. (соавтор Сладкова Л.А.)

18.Способ определения удельного сцепления мерзлых грунтов, обладающих реологическими свойствами. Патент РФ, № 2059968, 1996. (соавторы Семенец С И., Баканов B.C.)

19 Прогнозирование техногенного влияния на свойства мерзлых грунтов //Сб. тез. докл. региональной науч.-техн. конф. «Крайний Север- 96. Технологии, методы, средства». Механика. Строительство. Норильск, 1996. - С. 39. (соавторы Спесивцев A.B., Дроздов A.B.)

20. Влияние типа засоленности на физико-механические свойства мерзлых грунтов //Сб. тез. докл. региональной науч.-техн. конф. «Крайний Север- 96.

Технологии, методы, средства». Механика. Строительство. Норильск, 1996 -С. 39 - 40. (соавторы Шкляроз Н.Д., Лялина O.A.)

21.Прогнозирование техногенного засоления мерзлых грунтов //Вестник МАНЭБ. 1997. № 5. - С. 33-38. (соавтор Спесивцев A.B.)

22. Влияние химического состава солей на прочностные характеристики глинистых грунтов //Вестник МАНЭБ. 1997. № 5. - С. 42 - 45. (соавторы Лялина O.A., Рященко Т.Г., Акулова В.В.)

23. Correlative and regressive methods of mapping of metallurgical industry wastes /Proceedings of 7th International Congress of International Association of Engineering Geology, Portugal, A.A.,Balkema, Rotterdam, 1994, pp. 2507-2511. (соавтор Govorova, L.K).

24.Technogenesis influence on the frozen ground properties./ Proceedings of 7th International Congress of International Association of Engineering Geology, Portugal, A.A.,Balkema, Rotterdam, 1994, pp. 2533-2536. (соавторы Grebenets, V.l., Fedoseev, D.B.)

25.Geotechnical aspects of environmental violations in cryolitic zone. / Proceedings of 1 st International Congress of Environmental Geotechnics, Edmonton, Canada, 1994, pp. 247 - 254. (соавторы Grebenets, V.l., Fedoseev, D.B. and Savchenko, V.A.)

26.Effects of leachates from industrial wastes on soil properties in permafrost areas. / Proceedings of 7th International Cold Regions Specialty Conference, Edmonton, Canada, 1994, pp. 147-162. (соавторы Joshi R.C. and Achari G.)

27. Statistic Methods for Evaluation of Environmental Pollution. /Abstracts of Presented Papers of 1st International Symposium «The Problems of Complex Ores Utilization (Cu, Ni, Co, Sn, Mg, Ti, @ Noble Metals)», Saint Petersburg, RUSSIA. 1994. (соавторы Govorova, L.K. and Makarova T.A)

28.Correlative and Regressive Methods for Mapping of Metallurgical Production Wastes. /Abstracts of Presented Papers of 1st International Symposium «The Problems of Complex Ores Utilization (Cu, Ni, Co, Sn, Mg, Ti, @ Noble Metals)», Saint Petersburg, RUSSIA. 1994. (соавторы Govorova, L.K. and Makarova T.A)

29.Acoustic-emission Identification of the Mechanical State of Technical Objects Proceedings of 2nd International Conference on Mechanics of Jointed and Faulted Rock Vienna, AUSTRIA, 1995 (соавтор Nosov V.V.)

30. Environmental Aspects of Industrial Wastes Mapping in Cryolitic Zone. /Proceedings of 31th Annual Conference "Geohazards and Engi- neering Geology", Coventry, UK, 1995, pp.431 -435. (соавтор Grebenets V.I.)

31.Underground Space and Urban Planning in Cold Region. / Proceedings of VI th International Conference "Planning and Underground Space", Paris, FRANCE, 1995, pp.85-90. (соавтор Shklyarov N.D.)

32. Environmental aspects of industrial planning in cold regions. I Proceedings of 6th Spanish Congress and International Conference on Environmental Geology and Land-Use Planning. Natural Hazards, Land-Use Planning and Environment, Granada, Spain, 1996, vol.3, pp. 405 - 411. (соавторы Govorova, L.K. and Tretyak, V.I.)

33.Forecasting the technogenic influence on frozen soils properties on the basis of fuzzy models. / Proceedings of 2nd International Congress of Environmental Geotechnics, Osaka, Japan, 1996, vol. 1 , pp.257-261, (соавторы Spesivtsev, A.V. and Drozdov, A.V.)

34.Effects of salts on physical and mechanical properties of frozen soils. / Proceedings of International Symposium ENGINEERING GEOLOGY and the ENVIRONMENT, Athens, Greece, 1997, vol. 1, pp. 215 - 220. (соавторы Shklyarov, N.D, and Lyalina, O A.)

35.Lolaev, A.B., Spesivtsev, A.V., and Spesivtsev, V.V.. Modelling of the technogenic salting of the frozen soils. I Proceedings of International Symposium ENGINEERING GEOLOGY and the ENVIRONMENT, Athens, Greece, 1997, vol. 1, pp. 221 -226.

36.Site investigation of tailing dam in permafrost region. / Proceedings of Geoenvironmental Engineering Conference CONTAMINATED GROUND. FATE of POLLUTANTS and REMEDIATION, Cardiff, UK., 1997, pp. 35 - 40. (соавторы Spesivtsev, A.V., Spesivtsev, V.V., Sklyarov, N.D., Osipov, A G., Panchul, V.K. and Kirienko, E E.)

37.Geotechnics of mining, metallurgical wastes and tailing dams in permafrost regions. / Proceedings of 1st Australia - New Zealand Conference on Environmental Geotechnics GEOENVIRONMENT 97, Melbourn, AUSTRALIA, 1997, pp. (соавторы Spesivtsev, A.V., Spesivtsev, V.V., Sklyarov, N.D., Bytchkova, O.I., Panchul, V.K. and Kirienko, E E.).

Лицензия № 020882 от 23.05.94 г. Подписано в печать 5.05.98. Формат 60x84 1/8. Бум.для копир.-мн.ап. Печать плоская. Уч.п.л. 2,6. Тираж 100 экз. Заказ 30. С. 30.

663310, Норильск, ул. 50 лет Октября, 7. Подразделение оперативной полиграфии

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора технических наук, Лолаев, Алан Батразович, Норильск

Министерство общего и профессионального образования РФ Норильский индустриальный институт

На правах рукописи

Лолаев Алан Батразович

I С

УДК 624.131.1 (571.11)

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОГНОЗА ИЗМЕНЕНИЙ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ОСВОЕНИИ КРИОЛИТОЗОНЫ (на примере Норильского промышленного района)

Специальность 04.00.07 - Инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

¡■7)1

Диссертация Ф

)1

4

на соискание ученой степени доктора тонических наук

Научный консультант: з%ел. деятеле/науки РФ,

акадешМлИА и РИА, профессор, доктор технических наук ИКРастегаев

Норильск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................... 6

ГЛАВА 1. КОМПЛЕКСНАЯ ПРОБЛЕМА ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ХОЗЯЙСТВЕННОМ ОСВОЕНИИ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

1.1 Воздействие техногенеза на вечномерзлые грунты.......................................17

1.1.1 Особенности физико-механических свойств засоленных мерзлых грунтов.........................................................................................17

1.1.2 Механические свойства засоленных мерзлых грунтов........................25

1.1.3 Процессы техногенного засоления мерзлых грунтов...........................34

1.1.4 Управление геокриологической обстановкой.....................................37

1.1.5 Комплексная проблема геокриологических исследований при хозяйственном освоении вечномерзлых грунтов...............................45

1.2 Краткая характеристика климатических и мерзлотно-геологических условий Норильского промышленного района..........................................................49

1.3 Влияние антропогенной деятельности на окружающую природную среду

в Норильском промышленном районе..........................................................61

1.3.1 Топливно-энергетический комплекс..................................................61

1.3.2 Горно-обогатительный комплекс......................................................67

1.3.3 Металлургический комплекс............................................................68

1.3.4 Строительный комплекс...............................................................73

1.3.5 Городское хозяйство......................................................................76

1.3.6 Анализ изменения состояния мерзлых грунтов различных

площадок Норильского промышленного района................................96

1.5 Выводы по главе.....................................................................................104

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОЛЕНИЯ

НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТОВ

2.1 Задачи лабораторных исследований.........................................................105

2.2 Комплексные исследования состава, структуры и свойств

засоленных грунтов.................................................................................106

2.2.1 Методика, состав и материалы исследований.................................106

2.2.2 Определение гранулометрического состава....................................109

2.2.3 Химический анализ водной, солянокислой и щелочной вытяжек........126

2.2.4 Определение минерального состава глинистой фракции..................136

2.2.5 Определение седиментационного объема......................................136

2.2.6 Определение рН грунтов..............................................................139

2.2.7 Определение пределов пластичности............................................140

2.2.8 Определение относительного набухания........................................141

2.2.9 Определение прочностных свойств грунтов....................................143

2.2.10 Оценка изменчивости показателей грунтов....................................149

2.3 Выводы по главе.....................................................................................150

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОЛЕНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

3.1 Влияние концентрации и химического состава солей

на физические свойства засоленных грунтов....................................

3.2 Исследования влияния засоленности на прочностные характеристики

мерзлых грунтов......................................................................................161

3.3 Исследование процесса техногенного засоления мерзлых грунтов................179

3.3.1 Физическое моделирование процесса ...........................................179

3.3.2 Материалы и методика экспериментов...........................................187

3.3.3 Результаты экспериментов............................................................190

3.4 Выводы по главе.....................................................................................195

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ВЛИЯНИЯ НА ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

4.1 Общие положения...................................................................................198

4.2 Элементы теории нечетких множеств.........................................................201

4.3 Методика построения моделей в нечеткой среде........................................211

4.4 Моделирование прочности засоленных мерзлых грунтов..............................219

4.5 Моделирование техногенного засоления мерзлых грунтов...........................225

4.6 Выводы по главе......................................................................................231

ГЛАВА 5 ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ОСВОЕНИИ ОБЛАСТИ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ

ГРУНТОВ

5.1 Общие положения...................................................................................234

5.2 Характеристика и конструктивные особенности плотины хвостохранилища....235

5.3 Методы и результаты натурных обследований плотины хвостохранилища.....244

5.4 Прогнозирование температурного режима основания плотины хвостохранилища.....................................................................................254

5.5 Выводы по главе......................................................................................259

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................261

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................265

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................287

Введение

Актуальность проблемы. Огромный экономический потенциал северных территорий России, несмотря на труднодоступность, суровый климат и сложные геокриологические условия, обусловливает необходимость их хозяйственного освоения на пороге XXI века. Накопленный в стране и за рубежом опыт строительства и эксплуатации сооружений на Крайнем Севере показывает, что деятельность человека вызывает развитие опасных криогенных и гляциальных процессов, если не соблюдаются строгие требования по экологической безопасности. В конечном итоге это сказывается на надежности зданий и сооружений, нарастании их деформаций, преждевременном износе конструкций.

В ряду источников загрязнения Арктики Норильский территориально-промышленный комплекс - крупнейшая и уникальная техногенная система Заполярья. В совокупности с сопутствующими основному горно-металлургическому производству энергетической, строительной и другими отраслями промышленности, комплекс в настоящее время включает в себя более 50 различных производств, на которых существует около полутора тысяч постоянных источников образования жидких, твердых и газопылевых отходов.. Так, ежегодные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу составляют около 2.0 млн. тонн (Волков и др., 1996), сбросы загрязняющих сточных вод - более 200 млн.м3, объем добычи горной массы около 10 млн.м3. В настоящее время на территории региона накоплено уже около миллиарда кубометров отходов производства и потребления (Савченко и др., 1995).

Деятельная разработка месторождений полезных ископаемых и деятельность пирометаллургических производств в пределах НПР привела к полному

исчезновению природного ландшафта и преобразованию его в горно-технический (Гребенец, 1990). Визуальный пейзаж представлен многочисленными отвалами вскрышных пород и отходов промышленных предприятий, карьерными выемками, отстойниками, продуктохранилищами и хвостохранилищами. Плохая эксплуатация различных полигонов-накопителей привела к возникновению просачивания загрязняющих веществ сквозь ограждающие дамбы, а также оползней в бортах, загрязнению почвы вокруг полигонов. Отмечается интенсивное пыление хвостохранилищ и пирротинохранилища.

В результате такого воздействия, за время функционирования промышленности в Норильском промышленном районе (НПР) в пределах промышленного и прилегающих к нему районов, уничтожены и повреждены сотни гектаров растительности и почв. Экосистемы ряда малых рек и озер полностью деградировали и потеряли свое рыбохозяйственное значение. В атмосферном воздухе в пределах Норильска до 20-25 дней каждого месяца фактическое содержание загрязняющих веществ превышает предельно допустимые концентрации (ПДК). Порядка 50 дней в году оно составляет более 10 ПДК.

До настоящего времени систематическому изучению распространения ореола техногенного загрязнения, его интенсивности, качественного состава и путей миграции химических элементов, их ландшафтной приуроченности и влияния на различные компоненты геологической и природной Среды уделялось недостаточное внимание. В то же время следует отметить, что регион может служить крайней точкой шкалы, показывающей негативные воздействия техногенеза на инженерно-строительные свойства грунтов на Севере России, поэтому анализ техногенного влияния на вечномерзлые основания на примере Норильского промрайона является актуальным и может служить основой для разработки методики прогнозирования их

влияния для поиска технических решений, позволяющих не только добиться стабилизации обстановки, но и провести рекультивационные мероприятия, направленные как на улучшение экологии криолитозоны, так и на обеспечение надежности эксплуатируемых зданий и сооружений.

Работа выполнена на кафедре "Здания и сооружения" Норильского индустриального института в соответствии с планом научных работ института, проводимых в период с 1988 -1998 гг. в рамках хозяйственных договоров N 082-265, 082-277, 082-295, 082-310 между Норильским индустриальным институтом и Норильским горно-металлургическим комбинатом в соответствии с комплексной программой «Фундаментостроение Норильского промышленного района на 1988-95 гг.»(«Фундамент -95»); в рамках договоров N 1.1.91, 1.8.93, 1.1.94 и 1.1.96 между Норильским индустриальным институтом и Министерством общего и профессионального образования РФ, финансируемых из средств госбюджета по Единому заказ-наряду ($ 53) в соответствии с приоритетными направлениями развития науки и техники, утвержденных постановлением правительства Российской Федерации от 17.04.96 г., № 360. В проведении исследований автор принимал активное участие в качестве научного руководителя, ответственного исполнителя. Тема диссертации решением № 5 от 31.01.97 г. утверждена Ученым Советом вуза

Цель работы - разработка научных основ прогнозирования техногенного влияния на геомеханические процессы в вечномерзлых грунтах (на примере Норильского промрайона).

Для достижения указанной цели были сформулированы и поставлены следующие задачи:

• сформулировать комплексную проблему геокриологических исследований при хозяйственном освоении районов вечномерзлых грунтов;

• выполнить анализ и классификацию техногенных факторов, вызывающих изменения геокриологических процессов в Норильском промышленном районе;

• провести экспериментальные исследования влияния техногенного засоления на физико-механические свойства талых и мерзлых грунтов;

• исследовать динамику процесса техногенного засоления мерзлых грунтов;

• разработать методику и методологию прогнозирования геомеханических процессов в вечномерзлых грунтах с учетом техногенного влияния;

• выполнить прогноз геомеханических процессов в вечномерзлых грунтах на базе предложенного метода и проверить его адекватность на крупном промышленном объекте.

Научная новизна.

1. Проведен обзор и анализ отечественных и зарубежных исследований по прогнозированию техногенного изменения геомеханических процессов в вечномерзлых грунтах.

2. На основе системного подхода сформулирована и раскрыта проблема техногенного влияния на геокриологические процессы при хозяйственном освоении вечномерзлых грунтов. Решение проблемы включает в себя последовательный ряд задач: сбор исходных данных - оценка существующего положения -мерзлотный прогноз - эколого-экономическая оценка - управление геокриологической обстановкой с разработкой и применением эффективных инженерных мероприятий, обеспечивающих при рациональных затратах надежность зданий и сооружений.

3. Сделан вывод о ключевом значении мерзлотного прогноза в составе указанной проблемы, так как его отсутствие указывает на непредставительность

оценки существующего положения в плане методик или сбора достаточного количества исходных данных, а последующие задачи теряют научную основу.

4. Выявлена проблематика современного состояния информационной среды по данным инженерно-геологических изысканий и показано, что по сути своей она является нечеткой. Показана настоятельная необходимость применения теории нечетких множеств к описанию результатов инженерно-геологических изысканий и выполнению прогноза геомеханических процессов на их основе.

5. Предложен принципиально новый подход к получению и обработке геокриологической информации, разработана методика и методология применения формализации экспертной информации при логико-лингвистическом описании сложных систем. Изложены методология применения разработанной модели и создан алгоритм применения методики.

6. С единых позиций и по единой методике проведены комплексные исследования физико-механических свойств природных и искусственно засоленных глинистых грунтов как в талом, так и в мерзлом состояниях и оценено их изменение в широком диапазоне их изменения.

7. Впервые применено тепловизорное обследование состояния плотины хвостохранилища крупного металлургического предприятия и установлены пути фильтрации потоков через основание и тело плотины.

8. Выполнена диагностика и прогноз температурного режима основания плотины хвостохранилища на базе разработанной методики.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• сформулирована комплексная проблема геокриологических исследований при хозяйственном освоении вечномерзлых грунтов;

• выполнены анализ и классификация техногенных факторов, вызывающих изменения геокриологических процессов в Норильском промышленном районе;

• получены результаты экспериментальных исследований влияния техногенного засоления на физико-механические свойства мерзлых грунтов;

• получены результаты экспериментальных исследований динамики техногенного засоления мерзлых грунтов;

• разработаны и апробированы методика и методология прогнозирования геомеханических процессов в вечномерзлых грунтах с учетом техногенного влияния;

• выполнена диагностика и прогноз изменения температурного режима основания плотины хвостохранилища на базе предложенного метода, что позволило повысить эффективность и надежность принятых инженерных решений.

Методы исследования. Для решения проблемы использован комплекс методов. Исследования физико-механических и структурных свойств материалов осуществлялось в лабораторных условиях. При этом наряду с общепринятыми методами исследования использовались электронно-микроскопический метод анализа, планирование экспериментов, Обработка и анализ полученных данных осуществлялись методами теории вероятностей и математической статистики. При разработке принципов прогнозирования и способов обеспечения надежности оснований использовался аналитический метод и методы экономического анализа. Оценка гипотез осуществлялась с доверительной вероятностью 0,95.

В натурных условиях был использован комплекс исследований, включивший в себя визуальное наблюдение, инструментальные замеры температур, химического состава материала хвостов и фильтрующихся потоков, тепловизионную съемку плотины хвостохранилища с компьютерной дешифровкой результатов.

Исследованиям предшествовали обобщение и анализ имеющихся результатов, достижений и тенденций в рассматриваемой области.

Положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Сформулированная комплексная проблема геокриологических исследований при хозяйственном освоении вечномерзлых грунтов;

2. Результаты комплексных исследований физико-механических свойств природных и искусственно засоленных глинистых грунтов как в талом, так и в мерзлом состоянии;

3. Методология физического моделирования процесса техногенного засоления мерзлых грунтов;

4. Результаты лабораторных исследований динамики процесса техногенного засоления мерзлых грунтов;

5. Методика и методология применения теории нечетких множеств к получению и обработке геокриологической информации;

6. Алгоритм применения разработанной методики для прогнозирования техногенного изменения геомеханических процессов в вечномерзлых грунтах;

7. Результаты диагностики и прогноза температурного режима основания плотины хвостохранилища.

Внедрение результатов. Результаты исследований, направленные на системное решение отдельных задач общей проблемы, реализованы по следующим направлениям:

• Результаты диагностики и прогноза температурного режима основания плотины хвостохранилища внедрены в АО «Норильский комбинат» и использованы при разработке мероприятий по обеспечению устойчивости сооружения;

• Материалы дис