Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРИОПЭГОВ КАК КРИОГЕННОГО РЕСУРСА КРИОЛИТОЗОНЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СООРУЖЕНИЙ

Чжан Р.В. 1
1 Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН
Строительство инженерных сооружений в криолитозоне сопряжено с наличием многолетнемёрзлых льдистых грунтов, которые при переходе в талое состояние теряют несущую способность. При освоении этих территорий, которые характеризуются ещё и суровыми природно-климатическими условиями, необходимо решение ряда проблем технико-экономического, экологического и инженерного характера. Остро стоит задача обеспечения устойчивости как отдельных сооружений, так и комплекса природно-технических систем. Как один из вариантов решения этих проблем – использование в строительстве ресурсного подхода территорий. Ресурсный подход в природопользовании криолитозоны сформулировал представление о своеобразном природном ресурсе многолетнемерзлой толщи – криогенном ресурсе. В статье предложена инновационная технология повышения несущей способности грунтов основания за счёт использования естественных криогенных ресурсов Земли, в частности, криопэгов.
криолитозона
криопэг
криогенный ресурс
природно-техническая система
сооружение
основание
1. Алексеев В.Р. Притяжение мерзлой земли / В.Р. Алексеев; отв. ред. В.В. Шепелёв; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова. – Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2016. – 538 с.
2. Алексеев В.Р., Чжан Р.В. Криогенные строительные материалы / В.Р. Алексеев, Р.В. Чжан; отв. ред. Д.М. Шестернёв; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т мерзлотоведения им. П.И. Мельникова. – Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2011. – 68 с.
3. Большая Советская энциклопедия. 3-е издание. Т. 20. – М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1975. – С. 593–595.
4. Ершов Э.Д. Общая геокриология: учебник. – М.: Изд-во МГУ, 2002. – 372 с.
5. Криопэги – отрицательные температуры воды земли / Р.С. Кононова, Я.В. Неизвестнов, Н.И. Толстихин, О.Н. Толстихин // Мерзлотные исследования. – М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 1971. – Вып. XI. – С. 75–88.
6. Мельников В.П. Актуальность ресурсного подхода в криологии (приветственная речь на открытии конференции «Криосфера нефтегазовых провинций», Тюмень, 2004) // Криосфера Земли. – 2005. – Т. IX, № 1. – С. 3–6.
7. Промышленные рассолы Сибирской платформы: гидрогеология, бурение и добыча, переработка, утилизация / С.В. Алексеев, А.Г. Вахрамеев, Н.П. Коцупало, А.Д. Рябцев – Иркутск: Изд-во «Географ», 2014. – 162 с.
8. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. – М.: Изд-во «Мысль», 1990. – 631 с.
9. Толстихин Н.И. Криосфера и криопэги // Изв. вузов. Геология и разведка. – 1982. – № 3. – С. 115–117.

Стратегический тыл России – Сибирь и Дальний Восток – сосредоточил до 75 % всех полезных ископаемых страны. Однако освоение этих территорий сопряжено с большими трудностями, так как большая её часть расположена в криолитозоне, характеризуемой суровыми природно-климатическими и сложными мерзлотно-геологическими условиями. Возникла необходимость решения ряда проблем технико-экономического, экологического и инженерного характера. Остро стоит задача обеспечения устойчивости как отдельных сооружений, так и комплекса природно-технических систем. Для успешного освоения холодных регионов необходимо грамотно, на научной основе использовать ресурсы этих территорий. Понятие «ресурсы» вобрало в себя множество категорий живой и неживой природы, включая экономические и информационные источники [1, 5, 6, 8]. Ресурсный подход в природопользовании криолитозоны сформулировал представление о своеобразном природном ресурсе многолетнемёрзлой толщи – криогенном ресурсе. Криогенный ресурс литогенной основы с успехом используется в фундаментостроении отдельных сооружений и целых технических систем. Однако многолетнемерзлые грунты, используемые в качестве оснований сооружений в процессе эксплуатации, подвержены изменениям в результате антропогенного влияния и изменения климата на Земле, которое началось с середины прошлого столетия. Эти два фактора направлены на повышение температуры грунтов и, как следствие, на понижение их прочностных свойств. В сложившейся ситуации необходимо принимать меры по сохранению теплового состояния грунтов, обеспечивающих их нормативную несущую способность. В этой связи возникла мысль о создании инновационной технологии по обеспечению устойчивости грунтов, используемых в качестве оснований сооружений, обладающей высоким эколого-экономическим эффектом с использованием криогенных ресурсов криолитозоны.

Криогенные ресурсы

Криогенные ресурсы – это часть природных ресурсов, под которыми понимаем: «материальные объекты знания и силы природы, происхождение и развитие которых обусловлено сферой холода (температурой среды ниже нуля) и которые используются или могут быть использованы человеком в качестве предметов или средств производства [1]». Различают искусственные и естественные криогенные ресурсы. Искусственные криогенные ресурсы создаются человеком, естественные криогенные ресурсы – чисто природный продукт, который является «составным элементом холодного географического пространства,.. и распространён во всех трёх сферах планеты Земля – в атмосфере, литосфере и гидросфере».

На рис. 1 представлена схема классификации криогенных ресурсов.

chag1.tif

Рис. 1. Схема классификации криогенных ресурсов [1]

Схема иллюстрирует, что наряду с материальными, в классификацию криогенных ресурсов включены энергетические и информационные ресурсы. Последние в настоящее время приобретают важнейшее значение, так как позволяют объединить мировую логистику хозяйственной деятельности на благо народов [6]. В таком виде классификация приобретает современный вид, оставляя место для дальнейшего уточнения, расширения и развития этого нового направления в науке о криологии Земли. Следует отметить, что классификация криогенных процессов находится в начальной стадии разработки и является довольно сложным делом. Такая классификация под руководством профессора В.Р. Алексеева в настоящее время разрабатывается в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН [1, 2]. Безусловно, не исключена возможность и других гносеологических подходов в разработке классификации криогенных ресурсов, но на данный момент это пока что первое и единственное предложение.

Криопэги

Криопэги (жидкая мерзлота) – это солёные подземные воды (рассолы), имеющие отрицательную температуру, но находящиеся в жидком состоянии. Вода не замерзает при низких температурах в результате высокой минерализации (от 30 до 300 г/л и выше). В криолитозоне различают естественные и техногенные криопэги. Естественные криопэги залегают обычно ниже подошвы многолетнемёрзлых пород, но встречаются также меж- и надмерзлотные. Техногенные криопэги залегают от поверхности на глубинах, исчисляемых первыми десятками метров. Их минерализация, как правило, составляет от 1 до 10 г/л.

Криопэги являются одним из многочисленных естественных криогенных ресурсов криолитозоны (см. рис. 1), которые можно использовать для охлаждения и замораживания грунтов. Оставаясь в жидкой фазе, они активно влияют на интенсивное охлаждение пород, аномально увеличивая мощности криогенной части разреза за счёт больших запасов холода в них. Такими своеобразными природными «машинами-холодильниками», содержащими криопэги, являются, например, территории Сибирской платформы: Верхне-Вилюйское, Верхне-Мархинское и Туруханское поднятия, Путоранский вулканогенный массив и др., в пределах которых сосредоточены месторождения углеводородов, алмазов и драгоценных металлов [7, 4]. Кроме того, эти природные образования имеют самостоятельное значение как природный ресурс полезных ископаемых. Безусловно, этот вид полезных ископаемых даёт толчок к развитию химической промышленности и, как следствие, к возведению в этих регионах инженерных сооружений различного назначения. Тот факт, что эти подземные воды (криопэги) имеют отрицательные значения температуры, позволяет использовать их в охлаждающих устройствах круглогодично в качестве дополнительных источников холода для температурной стабилизации грунтов, являющихся основанием, средой и строительным материалом для различных сооружений.

chag2.tif

Рис. 2. Схема классификации криопэгов [1]

Ниже речь пойдёт об использовании подземных высокоминерализованных криопэгов криолитозоны – литоморфных (в горных породах) – для охлаждения и замораживания грунтов основания сооружений. Температура подземных и надмерзлотных криопэгов достигает –30 – –40 °С, межмерзлотных –2 – –12 °С, подмерзлотных 0 – –5 °С [1, 5].

Первую классификацию природных вод по температурному режиму предложил Н.И. Толстихин [9]. Она оказалась классическим примером систематизации криогенной системы Земли, оставаясь открытой для пополнения её новыми знаниями об этом уникальном явлении природы.

На рис. 2 приведена схема классификации криопэгов, дополненная новыми группами и подгруппами – гидроморфные, гляциоморфные, литоморфные и др. [1].

Инновационное предложение

Разработаны две принципиальных схемы технологических систем для охлаждения и замораживания грунтов:

а) для охлаждения и замораживания грунтов, используемых в качестве оснований зданий и промышленных сооружений;

б) для охлаждения и замораживания грунтов, используемых в качестве мерзлого противофильтрационного устройства плотины.

Охлаждение и замораживание грунтов, используемых в качестве оснований зданий и промышленных сооружений

Известно, что несущая способность мёрзлых грунтов зависит от их температурно-криогенного состояния. При эксплуатации это состояние грунтов нередко нарушается, что приводит к резкому снижению их прочностных свойств. Для восстановления несущей способности грунтов, в практике строительства криолитозоны применяют различные приёмы по сохранению проектного состояния грунтов оснований. Основным приёмом сохранения грунтов основания в проектном температурном режиме является устройство так называемого «проветриваемого подполья». В дополнение к этому способу в последнее время используют и другие. Одним из распространённых является целый кластер охлаждающих устройств трубных конструкций, в которых в качестве охлаждающего флюида используются воздух, жидкости и парожидкости.

chag3.tif

Рис. 3. Принципиальная схема системы для охлаждения и замораживания грунта оснований зданий и промышленных сооружений: 1 – криолитозона; 2 – горизонт криопэгов; 3 – верхняя граница криолитозоны; 4 – уровень статического напора криопэгов; 5 – скважина, подающая криопэг; 6 – фильтр; 7 – глубинный насос; 8 – трубопровод, подающий криопэг; 9 – резервуар; 10 – магистральный насос; 11 – коллектор, подающий криопэг; 12 – замораживающие скважины; 13 – коллектор, собирающий отработанный криопэг; 14 – трубопровод; 15 – резервуар; 16 – насос; 17 – трубопровод; 18 – скважина, закачивающая отработанный криопэг; 19 – теплоизолятор

Задачей инженеров является разработка и создание наиболее эффективных (инновационных) устройств и технологических систем, обладающих высокими технико-экономическими, экологическими и энергосберегающими показателями. В настоящей работе предлагается одно из технологических решений с использованием естественных криогенных ресурсов – криопэгов, отвечающее вышеуказанным требованиям.

На рис. 3 показана принципиальная технологическая схема системы охлаждения и замораживания грунтов оснований зданий и промышленных сооружений с использованием естественных криопэгов в качестве криогенного флюида.

Поставленная задача решается предложенной системой следующим образом. Система представляет собой циркуляционный контур, состоящий из двух частей: подводящей и отводящей рассолы.

Подводящая часть. Из водоносного горизонта 2, содержащего естественные природные рассолы – криопэги криолитозоны 1 по скважине 5, имеющей фильтр 6, с помощью насоса 7 закачивается по трубопроводу 8 в резервуар 9, и насосом 10 заполняется коллектор 11, из которого криопэг поступает в замораживающие устройства 12.

Отводящая часть. Отработанные рассолы-криопэги поступают в коллектор 13, далее по трубопроводу 14 – в резервуар 15, и насосом 16 по трубопроводу 17 закачиваются через скважину 18 в массив криолитозоны 1, содержащий криопэг 2. Для обеспечения нормальной работы циркуляционный контур 19 теплоизолируется.

Технический результат достигается за счёт использования массива многолетнемерзлых пород как природной замораживающей машины, обеспечивающей формирование и длительное (сотни, тысячи лет) существование криопэгов – рассолов с низкими отрицательными температурами.

Инновацией является то, что в циркуляционном контуре охлаждения используются природные растворы (криопэги) с низкими отрицательными температурами, исключающими применение специальной охлаждающей машины и реагентов для их приготовления.

Охлаждение и замораживание грунтов, используемых в качестве мёрзлого противофильтрационного устройства плотины

При разработке полезных ископаемых в криолитозоне вскрываются подземные воды – криопэги (рассолы), имеющие отрицательные температуры и мешающие добычным работам в котлованах. Для производства работ «насухо» рассолы перекачивают в специально создаваемые рассолохранилища, образуемые с помощью грунтовых плотин.

Проблема обеспечения устойчивости грунтовых плотин в криолитозоне в процессе эксплуатации до сих пор является актуальной. В суровых природно-климатических и сложных геокриологических условиях криолитозоны (наличие ледового комплекса) в большинстве случаев возможно использовать только плотины мёрзлого типа.

Гидроузлы для хранения рассолов в условиях криолитозоны являются специфическими гидротехническими сооружениями. Специфичность их заключается в том, что рассолохранилища в процессе эксплуатации приобретают по глубине характерный температурный и гидрохимический режим. Установлено, что придонные слои круглый год имеют высокую концентрацию солей (120–130 г/л) и устойчивую отрицательную температуру от –4 °С до –8,3 °С [2]. При взаимодействии рассолов (криопэгов) с многолетнемёрзлыми породами лёд, содержащийся в них, растворяется. Породы переходят в новое криогенное состояние, но уже с измененными физико-механическими свойствами. Особенно изменяются их фильтрационные и прочностные характеристики, которые определяют устойчивость сооружения в целом. В случае потери устойчивости сооружения возникает ряд проблем экологического характера, вплоть до нарушения биоты целых регионов.

Предлагается следующая инновационная система для обеспечения статической и фильтрационной устойчивости плотин в криолитозоне. На рис. 4 показана принципиальная технологическая схема системы охлаждения и замораживания грунтов мёрзлого противофильтрационного устройства плотины с использованием в качестве криогенного флюида естественного криопэга.

В состав гидроузла входят следующие сооружения: грунтовая плотина, замораживающая система, рассолохранилище. Грунтовая плотина возводится на многолетнемёрзлом основании 1 и содержит мёрзлое противофильтрационное ядро из суглинка 2; геосинтетический солезащитный экран 3; верховую и низовую упорные призмы из дисперсного грунта или каменной наброски 4 и 5; переходные зоны из песка 6 и 7; замораживающее устройство 8, переходящее в понур. Противофильтрационное ядро 2 отсыпается из грунта, увлажнённого пресной водой до состояния полной влагоёмкости.

chag4.tif

Рис. 4. Принципиальная схема системы для охлаждения и замораживания грунта мёрзлого противофильтрационного устройства плотины: 1 – многолетнемёрзлое основание; 2 – мёрзлое противофильтрационное ядро из суглинка; 3 – геосинтетический солезащитный экран, переходящий в понур; 4, 5 – верховая и низовая упорные призмы из дисперсного грунта или каменной наброски; 6, 7 – переходные зоны из песка; 8 – замораживающее устройство; 9 – рассолозаборник; 10 – насос; 11, 12 – подающий и отводящий рассолопроводы; 13, 14 – подводящий и отводящий коллекторы; 15 – рассолохранилище естественных природных рассолов

Замораживающая система содержит следующие конструктивные элементы: замораживающее устройство 8; рассолозаборник 9; насос 10; подающий 11 и отводящий 12 рассолопроводы; подводящий 13 и отводящий 14 коллекторы; рассолохранилище естественных природных рассолов 15.

Со стороны верхнего бьефа на откос ядра и в основании верховой упорной призмы в виде понура плотины по переходному слою из песка 7 уложен геосинтетический экран 3 (типа HDPE). Со стороны нижнего бьефа к противофильтрационному экрану 3 примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая создаётся посредством колонок замораживающей системы 8 и герметически присоединена к экрану в результате смерзания.

Предложенная технологическая схема с использованием в качестве криогенного флюида естественного криопэга позволит повысить надёжность плотины (фильтрационную и статическую устойчивость) за счет эффективности круглогодичной работы замораживающей системы, образующей мёрзлую противофильтрационную завесу в теле и основании, а использование геосинтетического экрана с понуром обеспечивает дополнительную фильтрационную, в том числе солезащитную, устойчивость сооружения.

Технический результат достигается за счёт использования рассолохранилища, как природной замораживающей машины, обеспечивающей формирование и длительное существование рассолов с низкими отрицательными температурами, используемых для поддержания тела и основания плотины в мёрзлом состоянии.

Новым в предложенной технологической схеме является то, что в циркуляционном контуре охлаждения используются природные растворы, низкие отрицательные температуры в которых формируются за счёт теплообмена рассолохранилища с окружающей средой.

Заключение

В настоящее время криогенные ресурсы, как часть природного ресурса, приобретают глобальный характер. Постоянно разрабатываются новые инновационные технические средства по рациональному их использованию. Разработанная схема системы с использованием криопэгов для охлаждения, понижения температуры и замораживания грунтов в качестве оснований, материала и вмещающей среды как отдельных сооружений, так и целых природно-технических систем, является инновационной разработкой и имеет хорошие перспективы.

Одновременно, вслед за академиком В.П. Мельниковым и профессором В.Р. Алексеевым, следует отметить, что настало время разработать детальную классификацию криогенных ресурсов холодных регионов, как одного из крупнейших кластеров природных ресурсов Земли. Это позволит оптимизировать природопользование и жизнедеятельность человека в холодных регионах планеты.


Библиографическая ссылка

Чжан Р.В. К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРИОПЭГОВ КАК КРИОГЕННОГО РЕСУРСА КРИОЛИТОЗОНЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СООРУЖЕНИЙ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 5. – С. 98-104;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41515 (дата обращения: 30.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074