close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Формирование температурного режима грунтов оснований зданий крупных теплоэнергетических объектов в криолитозоне (на примере Якутской ТЭЦ)

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Заболотник Павел Станиславович
ФОРМИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА
ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ КРУПНЫХ
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
В КРИОЛИТОЗОНЕ
(на примере Якутской ТЭЦ)
Специальность 25.00.08 – инженерная геология,
мерзлотоведение и грунтоведение
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
Якутск
2018
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского
отделения Российской академии наук (ИМЗ СО РАН).
Научный руководитель:
Заболотник Станислав Иванович, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник.
Научный консультант:
Шепелёв Виктор Васильевич, доктор геолого-минералогических
наук, профессор, академик Академии наук Республика Саха (Якутия).
Официальные оппоненты:
Степанов Анатолий Викторович, доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФТПС СО РАН), главный научный
сотрудник;
Попенко Фёдор Елисеевич, кандидат геолого-минералогических
наук, Общество с ограниченной ответственностью Научно-внедренческий центр «Геотехнология» (ООО НВЦ «Геотехнология»), директор.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Забайкальский государственный университет» (ФГБОУ ВО ЗабГУ), горный факультет, кафедра гидрогеологии и
инженерной геологии.
Защита диссертации состоится «21» ноября 2018 г. в 15-00 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.025.01 при Институте мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН по адресу: 677010, г. Якутск,
ул. Мерзлотная, 36, Институт мерзлотоведения СО РАН (актовый зал).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте
ФГБУН Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН
(http:// mpi. ysn.ru).
Автореферат разослан «____»________________2018 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета, кандидат географических наук
Шестакова
Алёна Алексеевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность данной работы заключается в том, что за 80 лет
эксплуатации зданий и сооружений Якутской ТЭЦ (ЯТЭЦ) накоплен значительный опыт контроля за тепловым состоянием грунтов их оснований в условиях интенсивной техногенной нагрузки. Этот опыт является
бесценным и может быть перенесён как на действующие объекты, так и
на вновь застраиваемые территории криолитозоны.
Контролем состояния грунтов обычно занимаются различные
изыскательские, строительные, эксплуатирующие и надзорные организации. Часто контроль ведётся формально, по одной-двум скважинам,
расположенным вдоль стен здания, и не захватывает ни пространство непосредственно под ним, ни прилегающую к нему территорию.
Цель работы – выявление основных закономерностей формирования температурного поля грунтов на территории крупного промышленного объекта.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1) обобщить и проанализировать имеющиеся сведения о геокриологических условиях исследуемой территории;
2) рассмотреть все факторы, влияющие на существующую геокриологическую обстановку (природные – изменчивость климата, гид­
ро­геологические и инженерно-геокриологические условия, а также
техногенные – воздействие аварийных утечек воды, тепловое влияние
заглублённых частей зданий и др.);
3) выявить основные тенденции изменения геокриологических
усло­вий, оказывающие влияние на устойчивость сооружений.
Исходные материалы
Материалы, положенные в основу диссертации, были получены в процессе реализации плановых НИР Института мерзлотоведения
им. П. И. Мельникова СО РАН с 1982 по 2017 гг.
Начиная с 2007 г., автор принимал непосредственное участие в
реализации ряда разделов фундаментальных НИР института, имеющих
самое непосредственное отношение к разрабатываемой проблеме. К ним
относятся проекты:
1) VII.63.2.4. «Структура и состояние многолетнемёрзлых пород
при меняющемся климате и техногенных воздействиях на севере Азии»;
2) VIII.77.2.1. «Горные оледенения и криолитозона континентальных районов Центральной и Северо-Восточной Азии. Реакция
3
г­ ляциальных и криогенных формаций на современные климатические
изменения»;
3) IX.135.2.1. «Строение, возраст и условия формирования криолитозоны континентальных районов Центральной и Северо-Восточной
Азии».
Научная новизна работы
На основе анализа многолетних наблюдений впервые оценено
влияние длительной эксплуатации зданий и сооружений ЯТЭЦ на температурный режим их грунтовых оснований.
Доказано, что главной причиной образования водоносных таликов под зданиями и прилегающими к ним территориями являются аварийные утечки горячей и агрессивной сетевой воды из водонесущих
коммуникаций.
Установлено, что восстановление нарушенного температурного
режима грунтов оснований зданий и примыкающих к ним участков под
действием природных факторов происходит очень медленно. На полное
промерзание частично оттаявших грунтов требуются многие годы.
Практическая значимость
Полученные результаты исследований переданы руководству
ЯТЭЦ и ПАО «Якутскэнерго» и используются ими при планировании
ремонтных работ, контрольных и профилактических мероприятий. Кроме того, они могут быть применены для анализа и прогноза состояния
грунтов оснований инженерных сооружений на урбанизированных территориях криолитозоны, при разработке рекомендаций для эксплуатационных служб и при проведении восстановительных работ.
Основные защищаемые положения
1. За 80 лет эксплуатации Якутской ТЭЦ температура грунтов на
глубине заложения фундаментов зданий, расположенных на участках
с минимальной техногенной тепловой нагрузкой, повысилась всего на
0,4- 0,5 °С, в то время как средняя годовая температура воздуха в г. Якутске повысилась за это время почти на 3 °С.
2. Скорость восстановления температурного поля растеплённых
участков и период промерзания таликов, образованных в грунтовых
основаниях некоторых зданий, определяются не только продолжительностью и объёмом утечек горячих вод из водонесущих коммуникаций, но
и фильтрационными свойствами грунтов и условиями стока формирующихся подземных вод за пределы территории ЯТЭЦ.
4
3. Результаты проведённого геотермического мониторинга и многолетняя безаварийная эксплуатация ЯТЭЦ свидетельствуют о том, что
в Центральной Якутии на террасовых комплексах р. Лены можно возводить крупные промышленные здания не только по первому, но и по
второму принципу строительства на многолетнемёрзлых грунтах.
Личный вклад
Автор принимал непосредственное участие в проведении режимных геотермических исследований на объекте исследований с 2007 г. и
продолжает их в настоящее время, являясь ответственным исполнителем
этих работ. Он обосновывал выбор местоположения буровых скважин и
проводил отбор образцов проб грунта и воды, осуществлял обработку,
анализ и обобщение новых и ранее полученных данных по теме исследований.
Апробация работы
Основные положения диссертации были представлены автором на
семи международных (Сиань, Китай, 2009; Мирный, 2011; Тюмень, 2011;
Салехард, 2012; Пущино, 2013; Харбин, Китай, 2014; Магадан, 2017) и
четырех российских (Якутск, 2010; Москва, 2011; Якутск, 2013; Москва,
2016) научно-практических конференциях и симпозиумах.
По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 5 – в
журналах, входящих в Перечень ВАК, и 2 – в рецензируемых журналах.
Благодарности
Автор выражает большую признательность научному руководителю к.г.-м.н., с.н.с. С. И. Заболотнику и научному консультанту д.г.-м.н.,
проф. В. В. Шепелёву за помощь в выборе тематики исследований, постоянное внимание и содействие при проведении исследований и подготовке диссертации. Автор также благодарит д.т.н. В. Н. Ефремова; д.г.- м.н.
В. Б. Спектора; д.т.н., проф. Д. М. Шестернёва; к.г.-м.н. С. П. Готовцева и
к.г.н. О. А. Поморцева за ценные советы и рекомендации.
Особая благодарность – сотрудникам лаборатории общей геокрио­
логии и лаборатории инженерной геокриологии ИМЗ СО РАН, принимавшим непосредственное участие в круглогодичных наблюдениях на
объекте, в том числе и зимой, в суровые 45-градусные морозы.
5
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Природные и инженерно-геокриологические условия
территории ЯТЭЦ
1.1. Географическое положение
Якутская ТЭЦ находится в северо-восточной части г. Якутска в
долине Туймаада, на левобережье протоки р. Лены. Примыкающая к
электроцентрали часть ТЭЦ перекрыта дамбой и образует замкнутый водоём. ЯТЭЦ расположена на первой надпойменной аллювиальной террасе, возвышающейся над уровнем меженных вод на 9-10 м.
1.2. Климатические условия
Исследуемая территория относится к области резко конти­
нентального, весьма холодного климата. Метеостанция Якутск про­
водит наблюдения с 1830 г. За это время средняя годовая температура
воздуха в городе изменилась от –12,8 °C (1837 г.) до –6,7 °С (2017 г.)
(http://meteo. ru/climate/temp.php).
1.3. Инженерно-геологические условия
Верхняя часть разреза представлена четвертичными аллювиальными и техногенными образованиями. Комплекс аллювиальных отложений залегает на размытой поверхности юрских пород.
Площадка вокруг главного корпуса ЯТЭЦ и ряда других служебных помещений частично асфальтирована и до глубины 1 – 17,5 м представлена насыпным грунтом из разнозернистых песков, реже – супесей
с примесью щебня, гальки и шлака. Ниже повсеместно залегают аллювиальные отложения, представленные мелкозернистыми песками, часто
переслаивающимися со средне- и крупнозернистыми. В песках встречаются отдельные горизонты и линзы супесей и суглинков мощностью от
нескольких до 20 – 80 сантиметров, а также включения растительного
детрита.
За исключением участков локальных таликов, отложения на территории ЯТЭЦ находятся в многолетнемёрзлом состоянии. Мощность
слоя сезонного промерзания в зависимости от степени техногенного рас­
тепления участков, изменяется от 2 до 4 м, а глубина сезонного протаивания грунтов – от 1,5 до 4,5 м.
Криогенная текстура грунтов преимущественно массивная, редко
(в супесчано-суглинистых грунтах) – тонкая линзовидная. Льдистость
многолетнемёрзлых грунтов, представленных серыми мелкозернистыми
песками, колеблется в пределах 15 – 25 %. Для линз суглинков ­льдистость
6
определяется в пределах 35 – 40 %. Льдистость более 40 % встречается в
мёрзлых отложениях, содержащих включения органики.
1.4. Гидрогеологические условия
В пределах изучаемой территории, в четвертичных отложениях и
в верхней части подстилающих их коренных пород существуют надмерз­
лотные и межмерзлотные техногенные талики, через которые осуществляется питание и движение подземных вод.
В 1933 г., на момент развёртывания строительства ЯТЭЦ, площадка была окружена с трёх сторон водой – протокой р. Лены и двумя курьями: Лесозавода и Кожзавода, которые в середине семидесятых годов
были засыпаны. Засыпка депрессий рельефа и последующая планировка
поверхности производились теми же песками, которые слагают речную
террасу. Это хорошо промытые однородные мелкие пески с коэффициентом неоднородности, изменяющимся от 1,4 до 3,0. В настоящее время
мощность промёрзшей зоны над пересыпанными курьями составляет
около 8 – 10 метров.
С 1930 по 1960 гг. вблизи ЯТЭЦ располагался Кожевенный завод,
который на протяжении многих лет сбрасывал промышленные загрязнённые воды в протоку р. Лены по галерее, проложенной на территории
электростанции. Сточные воды завода были сильно минерализованы,
благодаря чему не замерзали, а находили весьма сложные пути фильтрации в толще мёрзлых песчаных отложений.
На территории ЯТЭЦ подземные надмерзлотные воды были
вскрыты нами в интервале 1,0 – 1,7 м и на глубине 11,1 м, а межмерз­
лотные – в интервале 13,0-13,1 м и 14,0-15,0 м. Воды пёстрые по химическому составу: гидрокарбонатные или хлоридно-гидрокарбонатные,
смешанные по составу катионов, преимущественно слабощелочные
(рН = 7,4 – 7,6), с минерализацией, возрастающей с увеличением глубины залегания от 0,5 г/л (1,0 – 1,7 м) до 2,2 г/л на глубине 16,0 м.
Глава 2. Методика исследований
В главе описываются общепринятые методики в соответствии с
ГОСТ 25358-2012 для геотермических наблюдений в скважинах, применяемая аппаратура, подготовка скважин для долговременных геотермических наблюдений с применением автоматических измерителей (логгеров). Приводятся ГОСТы: отбора проб для определения плотности,
гранулометрического и химического состава; документации разрезов;
классификации мёрзлых грунтов и др.
7
Глава 3. Конструктивные решения и мероприятия по обеспечению
устойчивости зданий и сооружений ЯТЭЦ
В главе рассматриваются конструктивные особенности сооружений ЯТЭЦ.
Фундаменты главного корпуса ЯТЭЦ представляют собой отдельно стоящие через 5 – 7 м железобетонные колонны с башмаками. Они
установлены на глубину 4,5 м от поверхности площадки на ростверк,
состоящий из двух рядов лиственничных брусьев сечением 20 × 20 см,
уложенных в перекрёстном направлении. Фундаменты под турбогенераторы и котлы, расположенные в главном корпусе, опираются на сплошные бетонные плиты площадью около 60 м2 и толщиной 1 м, уложенные
на ростверк из расположенных в перекрёстном направлении пяти рядов
таких же лиственничных брусьев. Удельное давление на грунт от опор
главного корпуса составляет 5 кг/см2. Кирпичные стены этого здания
покоятся на мощных железобетонных монолитных рандбалках, которые
жёстко связаны с колоннами. После установки фундаментных колон, котлован засыпался в зимнее время сухим песком.
Здание циркуляционной насосной станции, расположенное на расстоянии 30 м от передней грани ряжевой подпорной стенки, укрепляющей берег, возведено по принципу постепенного протаивания многолетнемёрзлых грунтов. Это здание представляет собой башню диаметром
около 12 м. Надземная ее часть имеет высоту около 6 м, а подземная
заглублена на 11 м. Основание её состоит из железобетонной плиты толщиной 2 м, подстилаемой 4 рядами лиственничных брусьев общей толщиной в 1 м. Стены имеют толщину 65 см, кроме того с наружной стороны они обшиты слоем брусьев толщиной 15 см. Давление башни на грунт
около 1,5 кг/см2. Её основанием служит мелкий песок.
За время эксплуатации многократно проводились работы по расширению и реконструкции зданий электростанции. Так, в 1952 и 1955 гг.
выполнены два расширения главного корпуса, а в 1957 г. его увеличили
для размещения котельного и турбинного цехов. В результате этого расширения угловые фундаменты главного корпуса со стороны торца машинного зала были установлены на талые грунты, в непосредственной
близости от циркуляционной насосной станции. В их основании заложена подушка из утрамбованного щебня.
В 1978 г. было построено здание водогрейных котлов, в 1989 г. к
нему добавлен пристрой под котлы КВГМ-100. В 1997 г. началась замена и
реконструкция магистральных тепловых сетей, изменены многие участки
трубопроводов. В 2013 г. проведены работы по капитальному ремонту стен
8
главного корпуса ЯТЭЦ. Все новые постройки возводились по принципу
сохранения многолетнемёрзлого состояния грунтов основания с применением описанных ранее аналогичных конструкций фундаментов.
Глава 4. Связь температурного поля грунтов оснований зданий
ЯТЭЦ с температурой воздуха
На момент начала строительства и первых лет эксплуатации сооружений ЯТЭЦ средняя годовая температура воздуха в Якутске изменялась от –9,0 °С до –11,5 °С (http://meteo.ru/data/156...; http://meteo.ru/
climate/temp.php) (рис. 1, а). Средняя 10-летняя температура воздуха в
1940х годах составляла –10,1 °С, и в последующие 40 лет изменялась незначительно (±0,5°). Существенный рост средней годовой температуры
воздуха наблюдался с 1985 по 2015 г. В годы наблюдений она колебалась
от –6,7 до –7,8 °С (рис. 1, б).
Для участков с минимальным техногенным воздействием характер изменений средней годовой температуры грунтов оснований прак­
тически совпадает с межгодовой изменчивостью температуры воздуха
(рис. 2, а). Причём зависимости от температуры воздуха прослеживаются и в местах развития таликов (рис. 2, б).
В настоящее время вокруг северо-западного угла главного корпуса, где была возведена первая очередь электростанции, температура
грунтов составляет –2,8÷–3,1 °С, т.е. она повысилась всего на 0,4-0,5 °С.
В то же самое время средняя годовая температура воздуха в г. Якутске повысилась почти на 3 °С. Незначительное изменение температуры
грунтов в основании фундаментов на территории ЯТЭЦ объясняется воздействием двух противоположно направленных процессов: повышением
средней годовой температуры воздуха и гораздо более сильным охлаждающим влиянием проветриваемого подполья.
На глубине заложения фундаментов амплитуда годовых колебаний
температуры изменяется от 2-3 до 6 – 8 °С и наблюдается на 3,5 – 4 месяца запаздывание максимумов и минимумов температуры. Если максимум
температуры воздуха обычно наблюдается в середине июля (рис. 3, а), то
на глубине 4,5 м он достигается только в октябре-ноябре (рис. 3, б). Аналогичное запаздывание происходит и с проникновением минимальных
температур к основаниям фундаментов.
Сроки достижения максимальных и минимальных температур на
глубине 4-5 м зависят от месторасположения скважин. В скважинах, расположенных под зданием, в условиях затенения и отсутствия снежного
9
Рис. 1. Многолетний ход температуры воздуха по данным м/с Якутск
Рис. 2. Изменения средней годовой температуры грунтов на глубине 4 м
покрова это происходит почти на месяц позднее, чем в скважинах, расположенных по периметру зданий. К тому же в этих скважинах ­наблюдается
снижение величины амплитуды годовых колебаний температуры. Это
можно объяснить влиянием затенения в летний период, которое препятствует нагреванию грунтов, и отсутствием снежного покрова зимой, что
приводит к более сильному их охлаждению.
10
Рис. 3. Изменения температуры воздуха (а) и грунтов в основании
фундаментов главного корпуса (б)
Режимные наблюдения показали, что характер изменений средней
годовой температуры грунтов оснований зданий и сооружений ЯТЭЦ
совпадает с межгодовой изменчивостью температуры воздуха, исключением являются участки активизации теплового техногенного воздействия.
Из этих результатов следует первое защищаемое положение.
За 80 лет эксплуатации Якутской ТЭЦ температура грунтов на глубине заложения фундаментов зданий, расположенных на
участках с минимальной техногенной тепловой нагрузкой, повысилась всего на 0,4-0,5 °С, в то время как средняя годовая температура
воздуха в г. Якутске повысилась почти на 3 °С.
Глава 5. Влияние аварийных утечек воды на температурный
режим грунтов
За многие годы эксплуатации Якутской ТЭЦ неоднократно происходили различные аварии на водонесущих коммуникациях. Разливы горячей воды приводили к сильному прогреву и частичному оттаиванию грунтов оснований сооружений. Многие из них описаны в отчётах (Салтыков,
11
1940а; Заболотник, Новиков, 1983 – 1985; Заболотник, Заболотник, 2008,
2010, 2017 и др.). В отдельные сроки температура грунтов превышала
+20 °С и даже достигала +50,7 °С (Заболотник, Новиков, 1986).
Отепляющий эффект от утечек воды под здания проявлялся и зимой, так как лёд, образующийся от её замерзания, постепенно заполнял
проветриваемое подполье. В результате формирующаяся наледь вообще исключала циркуляцию зимнего холодного воздуха под зданием. В
1980-е годы наледи достигали значительных размеров. Так, например, в
конце марта 1986 г. общий объём наледного льда, образовавшегося под
главным корпусом ЯТЭЦ, составлял около 600 м3. Наледь практически
полностью заполняла проветриваемое подполье под этим зданием (Заболотник, Новиков, 2002).
Крупная утечка воды, вызвавшая максимальное повышение температуры грунтов, наблюдалась автором в марте 2011 г. при геотермических измерениях в скважине № 35, расположенной в 5 м от северо-восточной стены здания водогрейных котлов. Эта скважина, пройденная в
2005 г., вскрыла до глубины 14 м талик, представленный песком, с примесью гальки. Ниже пески были мёрзлыми, с массивным криогенным
сложением. Уровень подземных вод в скважине на момент бурения был
зафиксирован на глубине 13,0 м от дневной поверхности. Скважина была
обсажена до глубины 16 м, и с 2008 по 2013 гг. в ней ежемесячно проводились измерения температуры грунтов до глубины 15,5 м.
Анализ измерений температуры в скв. № 35 показывает, что в зимнее время происходило постепенное промерзание талых грунтов сверху:
от глубины 3,8 м в 2008 г. до 4,5 м в – 2010 г. Сезонное протаивание в эти
годы составляло около 2,5 м. Резкое повышение температуры в этой скважине было зафиксировано 29 марта 2011 г., когда в интервале 3,0 – 5,5 м
она повысилась почти до +36 °С (рис. 4.).
Восстановление прежнего состояния грунтов на этом участке
происходило очень медленно, несмотря на то, что авария была ликвидирована в короткие сроки. За первый месяц температура грунтов понизилась всего на 8 °С и на глубине их максимального прогрева (4,5 м)
составляла около +27 °С. В августе 2011 г. температура грунтов на этой
глубине понизилась до +10 °С. В последующем скорость её понижения
заметно снизилась. Только через 2,5 года она восстановилась до значений, близких к доаварийным (рис. 5).
В результате инфильтрации аварийных горячих вод через грунты,
представленные хорошо фильтрующими песками, коэффициент фильтрации которых изменяется от 6 до 8 м/сут., мёрзлые породы на участке
скважины № 35 к концу мая 2011 г. полностью оттаяли на всю глубину
12
Рис. 5. Восстановление
температуры грунтов
в скважине № 35 на глубине 5 м
с апреля 2011 по декабрь 2013 г.
Рис. 4. Изменение температуры
грунтов в скважине № 35
с 27 января по 23 декабря 2011 г.
скважины. Зимой 2011-2012 гг. они промёрзли всего на 2,4 м и ­полностью
оттаяли летом 2012 г. Зимой 2012-2013 гг. грунты на этом участке промёрзли уже до глубины 3,5 м, благодаря чему при последующем летнем
протаивании остался мёрзлый перелеток мощностью около 1 м. В дальнейшем в этом месте началось медленное промерзание грунтов сверху.
Другое растепление грунтового основания было установлено при
измерениях температуры в скважине № 11т глубиной 12 м. Эта скважина
расположена в южной части примыкания здания углекислотного цеха к
главному корпусу. Грунты в этом месте до глубины 4 м представлены отсыпкой из пылеватой супеси с примесью органики и строительного мусора. Скважина была пробурена в 2004 г. и вскрыла оттаявшие грунты.
За весь период наших наблюдений (с 2005 г.) температура грунтов в данной скважине была в основном положительной. Начиная с мая до конца
2010 года, температура грунтов неуклонно повышалась и на глубине 10 м
достигла +6,9 °С. Причём в интервале 2 – 4 м она не превышала +4 °С
(рис. 6.). В дальнейшем происходило постепенное охлаждение грунтов,
и к декабрю 2011 г. их температура понизилась до +0,5 °С.
Следует обратить внимание на то, что при повышении температуры грунтов на глубинах 6 – 10 м заметно уменьшалась амплитуда её
колебаний на глубине 2 м (с 11,0 до 4,7 °С). Если в 2008-2009 гг. минимальная температура на глубине 2 м наблюдалась в марте и составляла
–2,4÷–2,9 °С, то под воздействием аварийной утечки воды, она не опускались ниже –0,6 °С. Максимальная температура грунтов на этой ­глубине
13
Рис. 6. Изменения температуры грунтов в скважине № 11т
на глубинах 2, 4, 6 и 10 м с ноября 2007 по январь 2012 г.
отмечается обычно в начале сентября с величинами от +6 до +8 °С. Однако в результате наших наблюдений было установлено, что в 2010 г. температура грунтов достигла к концу октября только +4,1 °С (см. рис. 6.).
Это можно объяснить фильтрационным конвективным переносом тепла
за пределы данного участка.
Подземные воды, образовавшиеся в результате аварийных утечек, формируют пути движения к крупным водонасышенным таликовым
зонам, через которые происходит их разгрузка в водоём. Это движение
имеет и положительное влияние. Сформированные в 1930 – 1960 гг. высокоминерализованные криопэги за счёт стока от Кожевенного завода
были вымыты из горизонтов, залегающих выше локального базиса эрозии. Одновременно с этим происходит и вынос излишков тепла.
В результате длительных детальных наблюдений установлено,
что максимальная температура грунтов в основании фундаментов ЯТЭЦ
зависит от температуры и объёма воды, поступившей в результате аварийных утечек, фильтрационных свойств грунтов и условий стока образовавшихся подземных вод за пределы её территории. Периодические
поступления горячей воды в грунты под здания ЯТЭЦ приводят к значительному повышению их температуры. Мёрзлые грунты под воздействием утечек горячей воды оттаивают на значительную глубину, до 25 м
и более. Даже краткосрочное воздействие горячей воды приводит к значительному увеличению объёма талика, а для восстановления мёрзлого
состояния грунтов требуется несколько десятилетий.
14
Второе защищаемое положение: Скорость восстановления
температурного поля растеплённых участков и период промерзания
таликов, образованных в грунтовых основаниях некоторых зданий
ЯТЭЦ, определяются не только объёмом утечек горячих вод из водонесущих коммуникаций, но и фильтрационными свойствами грунтов
и условиями стока подземных вод за пределы территории ЯТЭЦ.
Глава 6. Изменения температурного режима грунтов в основании
зданий ЯТЭЦ за 80-летний период её эксплуатации
За время существования ЯТЭЦ её территория претерпела значительные изменения. Так, в процессе многократных расширений и дополнительных пристроек, циркуляционная насосная станция, находившаяся
вначале на расстоянии 45 м от главного корпуса, в настоящее время расположена в непосредственной близости от него (около 1 м). Кроме того,
восточный угол здания водогрейных котлов сегодня находится вблизи
засыпанной курьи бывшего Кожзавода, а столярная мастерская – над ней.
В течение длительной эксплуатации ЯТЭЦ под зданиями, а также
на примыкающих к ним участках сформировались обширные таликовые
зоны. Высокотемпературный, частично водонасыщенный талик, находящийся вокруг здания циркуляционной насосной станции, сформировался
уже в первые десятилетия. Его нижняя граница была зафиксирована на глубине 23 м. Он сохраняется до настоящего времени и распространился под
главный корпус ЯТЭЦ. Стабильное существование этого талика обусловлено влиянием отапливаемой заглублённой части здания насосной станции.
Для промораживания грунтов около части стены главного корпуса, в непосредственной близости от которой находится циркуляционная
насосная станция, в 1967 г. были установлены многотрубные сезоннодействующие охлаждающие установки (СОУ) системы С. И. Гапеева.
Однако водоносный талик удалось проморозить только около здания. В
скважинах № 3, № 5 и № 30, находящихся рядом с СОУ (около 1 м), в
1982 – 1986 гг. температура грунтов изменялась от –0,5 до –6,9 °С. В
это же время под южным углом главного корпуса на примыкающей части подполья водоносный талик сохранился, а температура грунтов на
глубине 4 м изменялась от –0,4 до +1,8 °С (Zabolotnik, Novikov, 2002).
Промораживанию талика в этом месте в значительной мере препятствовали постоянные тепловыделения от заглублённой более чем на 11 м
циркуляционной насосной станции и полузаглублённых трубопроводов,
а также периодически продолжавшиеся аварийные утечки горячей воды.
15
Попытки проморозить талые грунты под близко расположенным
углом главного корпуса с помощью замораживающих устройств оказались безуспешными. Талик сохранился до настоящего времени, и фактически эта часть здания эксплуатируется по II принципу строительства, то
есть на талых грунтах.
С 2008 по 2011 гг. измерения температуры грунтов проводились нами в 36 скважинах
глубиной от 4 до 16 м, в том числе в 15 – непосредственно под
зданиями. Для уточнения границ
распространения таликов по территории ЯТЭЦ в 2012-2013 гг.
было пробурено дополнительно
двадцать скважин глубиной 10 –
15 м, причём четыре из них –
непосредственно под главным
корпусом. Все они были оборудоРис. 7. Схема расположения
ваны термогирляндами с элект­
наблюдательных скважин
ронными датчиками и логгерами
и профилей на территории ЯТЭЦ
для автоматической ежесуточной
записи температуры грунтов. В настоящее время общее количество наблюдаемых скважин доведено до 63 (рис. 7).
За 80-летний период эксплуатации ЯТЭЦ грунты оснований зданий и сооружений подвергались разнообразному воздействию. Они засаливались водами, поступавшими от Кожевенного завода, замораживались СОУ, разогревались поступающими горячими водами утечек и
опять промерзали под действием естественных условий.
Для оценки динамики температурного состояния грунтов в основании зданий и сооружений ЯТЭЦ автором были построены температурные
поля, отражающие средние годовые температуры грунтов на глубине 4 м.
Эта глубина была выбрана из-за того, что большинство скважин под зданиями имеют глубину 4 м, близкую к глубине заложения фундаментов (4,5 м).
Большой водоносный талик образовался вокруг заглублённого здания циркуляционной насосной станции (рис. 8, а). Отапливаемое
помещение её является постоянным источником тепла большой мощности. В июле 2005 г. при бурении скважины № 31, расположенной в
непосредственной близости от станции, было установлено, что грунты
оттаяли до глубины 23 м, а таликовая зона вокруг неё распространилась
не менее чем на 25 м и захватила южный угол главного корпуса ЯТЭЦ
16
(­Заболотник, Заболотник, 2009). В 2008 г. средняя годовая температура
грунтов на глубине 6-7 м достигала +11,5 °C, в 2011 г. – +13,2 °C, а к
2017 г. она понизилась до +11,0 °С (Заболотник, Заболотник, 2018). Образовавшийся талик сохраняется до настоящего времени.
Второй мощный водоносный талик сформировался под восточной
частью здания водогрейных котлов. В 1985 г. его мощность составляла
24,5 м (Zabolotnik, Novikov, 2002). С 2008 по 2011 гг. средняя годовая
температура грунтов (СГТГ) непосредственно под этим зданием на глубине 4 м изменялась от +0,3 до +2,9°C.
Рис. 8. Средние годовые температуры грунтов на глубине 4 м в 2008 (а)
и в 2017 (б) годах
Третий талик образовался под южной частью углекислотного
цеха. В 2008 г. его мощность составляла 11,5 м, а СГТГ не превышала
+1,8 °C. В 2009-2010 гг. происходило растепление грунтов, причём на
наибольшую величину в интервале 8 – 10 м, где температура возросла
до 3,0-3,1 °C. В 2011 г. началось восстановление температурного режима грунтов, однако СГТГ оставалась достаточно высокой и изменялась
в интервале 1,7 – 2,6 °C. К 2017 г. талик сократил свои размеры и имеет
температуры, близкие к 0 °С (рис. 8, б).
Частично водонасыщенный талик под зданием углекислотного
цеха (УКЦ), показанный на профиле I–I (рис. 9), образован в результате утечек горячих вод из коммуникаций. Предположительно он имеет
гидравлическую связь с талой водоносной зоной под зданием водогрейных котлов на глубинах 9 – 15 м. Грунты здесь оттаяли на значительную ­глубину, однако температура их не превышает +0,3 °С, и после
­прекращения поступления воды талик начал промерзать со стороны
окружающих его мёрзлых пород.
17
На профилях II-II и III-III (рис. 10) чётко обозначен талик, сформировавшийся в 2014 г. под южной частью главного корпуса. Он объединился
с таликом, расположенным вокруг циркуляционной насосной станции.
Рис. 9. Средние годовые температуры грунтов по профилю I-I за 2013 (а)
и 2017 (б) годы
Рис. 10. Средние годовые температуры грунтов по профилям II-II(а)
и III-III(б) за 2017 г.
Рис. 11. Средние годовые температуры грунтов по профилю IV- IV за 2017 г.
18
Крупная зона растепления грунтов под северо-восточной частью
здания водогрейных котлов (ЗВК) (рис. 10, а; рис. 11), образованная за
счёт утечек конденсата в 1980х годах, соединилась с талой зоной, оставшейся после засыпки курьи Кожзавода. В северной части ЗВК и под химводоочисткой наблюдается медленное опускание верхней границы этого
талика с 6 – 8 м до 8 – 10 м соответственно.
Несмотря на наличие нескольких таликовых зон под бóльшей частью территории на глубине заложения фундаментов сохраняются хотя и
относительно высокие, но отрицательные температуры грунтов, и фундаменты зданий опираются на мёрзлое основание. Самые низкие температуры грунтов наблюдалась под северо-восточной частью главного
корпуса и вокруг его западного угла, а самые высокие – вокруг циркуляционной насосной станции.
В настоящее время состояние всего комплекса зданий и сооружений ЯТЭЦ остаётся достаточно стабильным, хотя некоторые части
зданий фактически эксплуатируются по II принципу строительства. Эта
стабильность связана с тем, что при проектировании зданий был заложен
достаточно большой запас прочности, а в их основании суглинисто-супесчаные грунты были заменены на непучинистые песчаные.
Геотермический мониторинг слоя годовых теплооборотов, осуществлённый на территории Якутской ТЭЦ, показал наличие здесь достаточно сложного и динамичного температурного поля грунтов. На
фоне глобального потепления климата, изменения температуры грунтов
в основании зданий и сооружений ЯТЭЦ незначительны. Таликовые
зоны появились на проблемных участках. Такие участки занимают около 15 – 20 % территории станции. Несмотря на такие изменения, общее
состояние всего комплекса сооружений Якутской ТЭЦ находится в удовлетворительном состоянии.
Третье защищаемое положение: Результаты проведённого геотермического мониторинга и многолетняя безаварийная эксплуатация ЯТЭЦ свидетельствуют о том, что в Центральной Якутии на
террасовых комплексах р. Лены можно возводить крупные промышленные здания не только по первому, но и по второму принципу строительства на многолетнемёрзлых грунтах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведённые исследования показали, что характер изменений
средней годовой температуры грунтов оснований зданий и сооружений ЯТЭЦ совпадает с межгодовой изменчивостью температуры воз19
духа в г. Якутске. Исключением являются места активного теплового
­техногенного воздействия на грунты.
Установлено, что высокая температура грунтов обусловлена аварийными поступлениями в них горячей воды из коммуникаций. Глубина
растеп­ления на отдельных участках достигала 23 – 25 м. Движение воды
концентрируется в местах, где грунты уже были растеплены. При условии
устранения поступления тепла только через 2-3 года начинает образовываться мёрзлый горизонт, подстилающий слой сезонного оттаивания. Для полного восстановления мёрзлого состояния грунтов требуются десятилетия.
Выявлено, что при утечках горячей воды в грунт происходит сокращение амплитуды годовых колебаний температуры в основании деятельного слоя (глубже 1 – 3 м). Это можно объяснить фильтрационным
конвективным переносом тепла в пониженные участки местности и в
более глубокие горизонты.
В сороковых годах прошлого века средняя годовая температура
воздуха в Якутске была равна –10,1 °С, а в настоящее время она повысилась до –7,5 °С (на 2,6 °С). Несмотря на такие климатические изменения,
средняя годовая температура грунтов в основании зданий и сооружений
ЯТЭЦ на участке возведения I очереди электростанции изменилась не
более чем на 0,5 °С.
Для оценки изменения теплового состояния грунтов оснований
зданий и сооружений ЯТЭЦ за весь период измерений были построены
температурные поля, отражающие средние годовые температуры грунтов на глубине 4 м (близкой к глубине заложения фундаментов). В ходе
эксплуатации Якутской ТЭЦ под зданиями, а также на примыкающих к
ним участках сформировались обширные таликовые зоны, занимающие
в настоящее время около 15 – 20 % территории станции.
Мощный водоносный талик, существующий вокруг здания циркуляционной насосной станции, сформировался в первые десятилетия эксплуатации ЯТЭЦ. Его нижняя граница зафиксирована на глубине 23 м.
Талик сохраняется до настоящего времени и распространяется под главный корпус. Стабильное существование этого талика обусловлено влиянием отапливаемой заглублённой части здания станции.
Вторая водоносная таликовая зона мощностью 24,5 м расположена
под восточной частью здания водогрейных котлов. Она соединилась с таликом, оставшимся после засыпки ложбины стока минерализованных вод
от бывшего кожевенного завода. Этот талик постепенно промерзает, и в
настоящее время наблюдается медленное опускание его верхней границы.
При формировании таликовых зон под зданиями ЯТЭЦ неоднократно возникали неравномерные осадки. При последующем
20
­ ромораживании грунтов, напротив, происходило выпучивание грунтов
п
их оснований. Наблюдаемые с 1982 г. вертикальные перемещения фундаментов (Заболотник, Новиков, 1986) приводили к различным деформациям зданий, наиболее характерными из которых были трещины на
стенах, частичное разрушение оголовков свай и сколы с оголённой арматуры, прогибы рандбалок. К настоящему времени осадки фундаментов
стабилизировались и не превышают предельно допустимой величины,
регламентируемой нормативными документами (Кузьмин и др., 2017).
Результаты многолетних исследований теплового состояния грунтов оснований Якутской ТЭЦ своевременно предоставлялись руководству станции, что позволяло ему проводить упреждающие мероприятия
и препятствовать развитию негативных последствий. Благодаря проведению ряда превентивных мероприятий, состояние всего комплекса со­
оружений ЯТЭЦ остаётся достаточно стабильным. Обеспечение многолетней надёжности и долговечности эксплуатации зданий и сооружений
Якутской ТЭЦ обусловлено также квалифицированными проектными
решениями при их строительстве. Именно этим можно объяснить большой запас прочности фундаментных опор зданий и сооружений ЯТЭЦ.
В результате этого, уже много лет некоторые здания частично эксплуатируется по второму принципу строительства, т.е. на оттаявших грунтах.
В дальнейшем планируется продолжить комплекс мониторинговых
исследований на территории ЯТЭЦ, включая не только измерения температуры грунтов в основании зданий и сооружений, но и гидрогео­логические
исследования, а также обследования проветриваемого подпольного пространства, состояния фундаментных опор и рандбалок, ­измерения вертикальных перемещений фундаментов и технологического оборудования.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ,
ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В журналах, входящих в Перечень ВАК:
1. Заболотник, С. И. Температура, сезонное протаивание и промерзание грунтов под зданиями Якутской ТЭЦ и на прилегающей к ним
территории / С. И. Заболотник, П. С. Заболотник // Наука и образование. – 2009. – № 4 (56). – С. 70–75.
2. Заболотник, П. С. Влияние аварийных утечек воды на температурный режим грунтов оснований зданий Якутской ТЭЦ / П. С. Заболотник // Наука и образование. – 2015. – № 2 (78). – С. 75–78.
3. Заболотник, С. И. Динамика температуры грунтов вокруг и
под зданиями Якутской тепловой электроцентрали / С. И. Заболотник,
П. С. Заболотник // Криосфера Земли. – 2016. – Т. XX, № 1. – С. 70–80.
21
Zabolotnik, S. I. Ground temperature dynamics around and beneath
the Yakutsk combined heat and power plant buildings / S. I. Zabolotnik,
P. S. Zabolotnik // Kriosfera Zemli, 2016, vol. XX, no. 1, pp. 64-74.
4. Заболотник, П. С. Новые данные о температуре грунтов в основании зданий Якутской ТЭЦ / П. С. Заболотник, С. И. Заболотник //
Вестник СВНЦ ДВО РАН. – 2018. – № 2. – С. 107–116.
5. Заболотник, С. И. Воздействие зданий Якутской тепловой
электроцентрали на состояние мёрзлого основания / С. И. Заболотник,
П. С. Заболотник // Вестник Забайкальского гос. ун-та. – 2018. – Т. 24,
№ 6. – С. 15–27. DOI: 10.21209/2227-9245-2018-24-6-15-27.
Zabolotnik, S., Impact of buildings of the Yakutsk thermal power
plant on the condition of the frozen ground foundation / S. Zabolotnik,
P. Zabolotnik // Transbaikal State University Journal. – 2018. – vol. 24, no. 6,
pp. 15–27. DOI: 10.21209/2227-9245-2018-24-6-15-27.
В рецензируемых журналах, не входящих в Перечень ВАК
6. Заболотник, С. И. Температурный режим грунтов в основании
зданий Якутской ТЭЦ / С. И. Заболотник, П. С. Заболотник // Строительство : новые технологии – новое оборудование. – 2017. – № 12. – С. 16–27.
7. Zabolotnik, S. I. Ground temperature dynamics around and beneath
the Yakutsk Combined Heat and Power Plant buildings / S. I. Zabolotnik,
P. S. Zabolotnik // Journal of engineering of Heilongjiang University. Special
Edition of the 10th International Symposium on Permafrost Engineering. –
2014. – № 3. Vol. 5. – P. 67-77.
В других изданиях
8. Заболотник, С. И. Температура грунтов под зданиями Якутской ТЭЦ и на прилегающей к ним территории / С. И. Заболотник,
П. С. ­Заболотник // Научное обеспечение решения ключевых проблем
развития г. Якутска : мат-лы совместной научной сессии АН РС (Я) и
Администрации ГО «Город Якутск». – Якутск : ООО «Изд-во Сфера»,
2010. – С. 102–106.
9. Заболотник, С. И. Состояние криолитозоны на территории
Якутской ТЭЦ The state of permafrost in the Yakutsk Combined Heat and
Power Plant area / С. И. Заболотник, П. С. Заболотник // Региональная и
историческая геокриология : материалы Четвёртой конференции геокриологов России. – М. : Университетская книга, 2011. – Т. 2, ч. 5. – С. 70–77.
10. Заболотник, С. И. Температура грунтов вокруг и под зданиями
Якутской ТЭЦ / С. И. Заболотник, П. С. Заболотник; отв.ред. Р. В. Чжан
// Permafrost Engineering, Proceedings of the IX International Symposium,
Mirny, Russia (ed. R.V. Zhang). Yakutsk: Melnikov Permafrost Institute
22
SB RAS Press. Проблемы инженерного мерзлотоведения : материалы
IX Международного симпозиума, г. Мирный, Россия. – Якутск : Изд-во
Института мерзлотоведения СО РАН, 2011. – С. 273–279.
11. Заболотник, С. И. Термический режим грунтов в основании
зданий Якутской ТЭЦ / С. И. Заболотник, П. С. Заболотник // Материалы Международной научно-практической конференции по инженерному
мерзлотоведению, посвящённой XX-летию создания ООО НПО «Фундаментстройаркос». – Тюмень : «Сити-Пресс», 2011. – С. 260–268.
12. Заболотник, С. И. Изменение состояния мёрзлых грунтов в
процессе длительной эксплуатации Якутской ТЭЦ / С. И. Заболотник,
П. С. Заболотник ; отв. ред. В. П. Мельников, редакторы : Д. С. Дроз­дов ;
В. Е. Романовский // Ресурсы и риски регионов с вечной мерзлотой в меняющемся мире : мат-лы Десятой международной конференции по мерзлотоведению (TICOP). – Тюмень : Печатник, 2012. – Т. 3. – С. 182–188.
13. Заболотник, С. И. Динамика температуры грунтов в основании
фундаментов Якутской ТЭЦ / С. И. Заболотник, П. С. Заболотник // Географические исследования Якутии: история, современность, перспективы: мат-лы Всероссийской научно-практической конференции, посвящённой 100-летию со дня создания Якутского отдела Императорского
Русского географического общества. – Якутск : ООО «Издательство Сфера», 2014. – С. 194–200.
14. Заболотник, С. И. Влияние утечек воды на температуру грунтов в основании зданий Якутской ТЭЦ / С. И. Заболотник, П. С. Заболотник // Инженерная геокриология : материалы Пятой конференции
геокриологов России. – Т. 1, ч. 1. – М. : Университетская книга, 2016. –
С. 82–89.
15. Zabolotnik, S. I. Ground Temperatures beneath the Buildings of
the Yakutsk CHP Plant. / S. I. Zabolotnik, P. S. Zabolotnik // EISOPE 2009.
Proceedings of the Eighth international symposium on Permafrost Engineering.
15-17 October, 2009, Xi′an, China. Resent Development of Research on
Permafrost Engineering and Cold Region Environment. Ming Huo, Wei Ma &
Fujun Niu (eds.). – Lanzhou University Press, 2009. – P.318-323.
16. Zabolotnik, S. I. Changes in the State of Frozen Ground in the
Course of Long-term Operation of the Yakutsk Combined Heat and Power
Plant / S. I. Zabolotnik, P. S. Zabolotnik // Tenth International Conference
on Permafrost. Vol. 2: Translations of Russian Contributions. Melnikov V.P.
(ed.), Drozdov D.S. & Romanovsky V.E. (co-eds.). – Russia. Salekhard: the
Northern Publisher, 2012. – P. 537-542.
23
Заболотник Павел Станиславович
ФОРМИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ
ЗДАНИЙ КРУПНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
В КРИОЛИТОЗОНЕ
(на примере Якутской ТЭЦ)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
Редактор Л. А. Максименко
Компьютерная верстка А. А. Федоровой
ИД 05324 от 09 июля 2001 г. Подписано в печать 18.09.2018.
Формат 60×84 1/16. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 120 экз.
Заказ № 59.
Издательство и типография ФГБУН Института мерзлотоведения
им. П. И. Мельникова СО РАН.
677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, д. 36, ИМЗ СО РАН.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа