Лекция: Изменение пьезометрического уровня подземных вод надмерзлотного талика в процессе сезонного промерзания

(скв. 15, абс. отм. 198.40 м)

В пределах талика наименьшие отметки поверхности рельефа колеблются главным образом в пределах 195.5-196.5 м.

Наличие высокого гидростатического напора в зоне разгрузки приводит к формированию инъекционных бугров пучения. Время их появления – февраль-март, иногда начало апреля. Наибольшее количество бугров пучения (до 6) отмечалось весной 1982 и 1985 гг. Высота отдельных бугров достигала 2 м при ширине основания равной 15-20 м. В течение зимы не наблюдалось приращения их размеров. В мягкие зимы 1983/1984 и 1989/1990 годов видимых бугров пучения не было, но вся поверхность бровки озерной котловины, примыкающей к талику, оказывалась приподнятой за зиму на высоту до 0.7 м.

В вертикальном разрезе бугров пучения всегда присутствуют слои льда и воды. Мощность сезонномерзлого слоя в них составляет обычно менее 2.0 м, а в отдельных случаях не превышает 1.1 м. Последнее значение отмечено на водонасыщенных грунтах верхней части озерной котловины, примыкающей к талику. Суммарный объем воды и льда, сосредоточенный в буграх пучения, достигает 1,5 тыс. м3. Часто, но не всегда, на буграх появляются трещины разрыва, в которых на некоторой глубине обнаруживается лед. За все время наблюдений ни разу не было излива воды из бугров и образования наледей. Объяснение этому следует искать в относительно низкой водопроводимости пород (10-15 м2/сут) и малых ресурсах водоносного горизонта.

Несмотря на, казалось бы, высокий гидростатический напор, величина его сопоставима с весом сезонномерзлого слоя грунтов, превышая последний всего на 20-30%. Причем, чем меньше отношение мощности СМС к ширине участка пучения (образно говоря: толщины балки к ее длине), тем меньше эта разница. Следовательно, ни о каких чрезвычайно высоких (удельных!) давлениях в промерзающем пласте говорить не приходится. При больших поперечных размерах таликов перекрывающий их мерзлый слой «всплывает», когда удельное давление снизу превысит силу тяжести. Роль сил сцепления в мерзлом грунте возрастает с уменьшением поперечных размеров промерзающего водоносного горизонта.

Интересен случай образования инъекционного бугра пучения за счет поверхностных вод ручья, вытекающего из озера Малая Чабыда. Этот бугор появился в теплую зиму 1989/1990 г., когда на участке талика видимого пучения грунтов не наблюдалось. Сформировался он в долине ручья, на расстоянии примерно 0.5 км от истока, единственный раз за все время наблюдений. Предшествующий зиме теплый сезон был очень влажным, и запасы воды в озере оказались максимальными. Сам ручей небольшой, расход водотока в летний период по данным многократных измерений не выходил за пределы 20 л/с; ширина русла составляет 0.5-0.7, местами 1.0-1.2 м. Подрусловые отложения в течение зимнего периода, как правило, промерзают.

Инъекционный бугор пучения представлял собой в плане овал с наибольшими размерами 30м х 10 м и имел высоту около 2.0 м. Склоны и основание его были покрыты льдом толщиной до 1.0 м. Вода, образовавшая наледь, изливалась из продольной трещины бугра длиной до 20 и шириной раскрытия до 0.3 м. Перепад высот между уровнем озера и днищем долины ручья согласно топографической карты не превышает 5-7 м.

На связь бугра с озером свидетельствует обнаруженная внутри него озерная фауна (жук-плавунец) в количестве многих десятков особей. Образование крупного ледяного инъекционного бугра с излившейся водой указывает на высокую пропускную способность водоподводящего тракта, что характерно для поверхностного водотока или подземного канала типа карстового. Разрыв бугра пучения вызвал мощную ударную волну, которая привела к массовой гибели карася в озере, на котором такого явления также никогда не наблюдалось.

Приведенные данные – наглядное свидетельство инъекционного льдообразованияпри небольших пластовых давлениях.

В склоновом талике периодически возникают перелетки мерзлых пород, которые наблюдались, например, в период 1985-1989 гг. (Мониторинг…, 2002). При наличии перелетков промерзание грунтов происходит интенсивнее и на большую глубину, а пьезометрические уровни устанавливаются на максимальных отметках; соответственно возрастает интенсивность инъекционного льдообразования. На рисунке 11.3 показан график колебания уровня поверхности рельефа по отдельным характерным точкам, анализируя который можно отметить следующее. Бугры пучения, появившиеся в конце зимы, за лето исчезают или сильно уменьшаются в размерах. (За первые три года наблюдений только один бугор (R1) просуществовал три года). Наибольший интерес вызывает движение репера 6.5 (см. рис. 10.4). Он поднимался в течение четырех лет, и суммарная величина пучения достигла 0.90 м. За летний период вершина бугра оседала на 15-20 см в естественных условиях или под влиянием откачки из гидрогеологической скважины 28. Внешние границы всхолмленного участка выделялись нечетко, визуально его диаметр определен в 15-20 м.

Таким образом, можно констатировать, что на участке инъекционного пучения грунтов существовал пласт многолетнего льда мощностью более 0.5 м. К началу нынешнего столетия подземный лед растаял.

Следующий важный момент, который обычно не учитывается, это влияние термического режима грунтов и связанных с ним термических напряжений на деформацию сезонномерзлого слоя. Обращаясь к графику колебания уровней (см. рис. 10. 2), можно отметить резкое снижение темпов их прироста уже в феврале – начале марта. К этому времени температура сезонномерзлого массива возрастает в среднем на 5-10°С по сравнению с минимальной. На участках сливающейся «мерзлоты» повышения температуры грунтов в это время практически не происходит.

Рис.10.4. Колебание уровня поверхности рельефа под влиянием гидростатического напора (а) и соответствующие периоду минимальные температуры грунта на глубине 2 м (б).

Термический коэффициент линейного расширения мерзлых песков составляет около 20×10-6 1/град (Романовский, 1993). При ширине вытянутого вдоль бровки озерной котловины участка пучения равной 50 м и повышении температуры на 10°С удлинение за счет температурного расширения грунтов составит 10 мм. Результирующая сила при этом расширении направлена вверх и совпадает с направлением действия гидростатического напора. В результате сезонномерзлый слой приподнимается. Поперечное сечение поднятия будет представлять собой сегмент круга. При известных значениях хорды (ширина участка пучения) и высоты (максимальная высота поднятия) длина дуги сегмента (увеличенная длина хорды за счет термического расширения) может быть рассчитана по приближенной формуле Гюйгенса. Формула выглядит следующим образом:

D = 2l + (2l – L)/3, при l = (( )2 + h2)1/2, (10.1)

где: D – длина дуги, м; L – длина хорды, м; h – высота сегмента, м.

По этой же формуле рассчитывается и высота сегмента при известных двух других значениях. В нашем случае максимальная высота сегмента при полной релаксации термического напряжения составит 0.43 м. Даже если в действительности эта величина на порядок ниже, то и при этом образующийся дополнительный объем в основании приподнимающего слоя весьма значителен. Этот объем заполняется водой, которая частично замерзает. Таким образом, при вспучивании сезонномерзлого слоя под влиянием гидростатического напора его разрыв происходит только в том случае, когда изгиб поверхности за счет пучения превысит величину термического растяжения и прочность грунтов на разрыв. Существование слоя воды под мерзлой толщей в силу его высокой теплоемкости снижает скорость промерзания отложений под участком пучения, а, следовательно, ослабленная зона в мерзлой толще может существовать достаточно долго и способствовать последующим инъекциям воды и формированию подземного пластового льда. Если линейные размеры участков пучения небольшие и сопоставимы с мощностью слоя промерзания, то в этом случае гидростатический напор в пласте, приводящий к вспучиванию поверхности, должен быть значительно выше, поскольку необходимо преодолеть не только силу тяжести промерзшего грунта, но и внутренние силы сцепления в нем.