книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение

68

ема пород;

5) средняя годовая температура пород t0.

Приведем пример расчета по формуле (IV.22) глубины сезон­ ного протаивания пород на оголенном от растительности участке в Центральной Якутии.

Расчетные данные (состав пород—супесь): уск = 1350 кг/м3;

W c —11,8%; WH= 1,5 %; tз = —0,3°; Ят =0,90 ккал/м■град • ч; Ям = 1,30 ккал/м-град-ч; ст =435 ккал/м3-град;см =397ккал/м3-град;

По найденным значениям К а и К с находим в табл. 8 е—0,040. По формуле (IV.22) рассчитываем глубину сезонного протаивания

Формула (IV.22) применима и для расчета глубины промерза­ ния пород, имеющих обнаженную поверхность. В этом случае

69

необходимо взаимозаменить индексы «т» и «м» при исходных пара­ метрах. Любая теплоизоляция, уложенная на поверхность породуыеныпает глубину промерзания. Первая попытка учесть тепло изоляцию в расчетах промерзания была предпринята М. М. Кры­ ловым. Позднее в 1943 г. англичане Лондон и Себан применили более современный способ учета теплоизоляции с помощью экви­ валентного слоя, определяемого выражением

Тогда формула Стефана для расчета промерзания пород под слоем изоляции, эквивалентный слой которого равен S, запишется

Расчет промерзания пород под слоем теплоизоляции, имеющих положительную среднюю годовую температуру, может быть вы­ полнен по формуле

Снежный покров представляет собой один из видов естествен­ ной теплоизоляции, эквивалентный слой которого изменяется в течение всей зимы. Однако для упрощения расчетов термическое сопротивление снежного покрова (или его высоту) принимают постоянным, равным среднему значению за зимний период. При таком допущении глубина промерзания пород под снегом опре­ делится выражением (IV.27). А. В. Павловым получено более точное решение, учитывающее изменение эквивалентного слоя снежного покрова во времени:

где S — средняя за зиму величина эквивалентного слоя снежного покрова, вычисляемая по средним значениям его высоты и коэф­ фициента теплопроводности.

Поправочный коэффициент I учитывает изменение во времени термического сопротивления снежного покрова (для слоя изо­

грунта под снежным покровом с постоянным во времени терми­ ческим сопротивлением к глубине промерзания, вычисленной при осредненном его значении. Аналитическое решение показало,

что 1^1,2.

Для вычисления s в формулах (IV.27) и (IV.28) необходимо знать температуру поверхности пород tu. Температура поверх­ ности промерзающей оголенной породы принимается в этом случае

70

равной температуре воздуха и приближенно вычисляется но фор­ муле пород, защищенных снежным покровом или другой тепло­ изоляцией:

ьгй Еоадуха на поверхности почвы, СС; Ц— среднегодовая темпера­ тура на подсшге слоя сезонного промерзания (протаивания) пород; Т — период температурных колебаний, год; с — объемная теплоемкость породы, ккал/м3-град; Аф — средняя годовая амп­ литуда температурных колебаний на подошве слоя сезонного промерзания или протаивания.

71

По формуле (IV.30) составлены номограммы для расчета глубин сезонного промерзания н протаивания (см. приложение).

Формула В. С. Лукьянова отличается от формулы М. М. Кры­ лова дополнительным учетом теплоемкости мерзлого слоя н тер­ мического сопротивления снежного покрова. Она имеет вид

мерзания и протаивания, кроме аналитических методов, широко используются аналоговые машины. Особую известность полу­ чил гидроинтегратор, разработанный проф. В. С. Лукьяновым [10].

До сих пор рассматривались методы прогноза природной глу­ бины промерзання-протаивания. Но в соответствии с требовани­ ями строительных нормативных документов [11] приходится оп­ ределять нормативную и расчетную глубину нромерзания-прота- ивания.

Под нормативной глубиной сезонного протаивания понимается наибольшее ее значение, которое может наблюдаться на открытой площадке с нарушенным растительным покровом и организован­ ным водоотводом. Под нормативной глубиной сезонного промер­ зания понимается наибольшее ее значение, которое может наблю­ даться на открытой площадке, лишенной снежного и раститель­ ного покрова, с глубоким залеганием грунтовых вод. Таким обра­ зом, нормативные глубины промерзания-протапвания определя­ ются с учетом возможного понижения влажности пород после освоения территории. В строительных нормах и правилах реко­ мендуется определять нормативные глубины промерзання-про- таивания при влажности пород, равной пределу раскатывания.

Расчетная глубина промерзания-протапвания пород равна нормативной, умноженной на некоторый коэффициент, учиты­ вающий местные особенности конкретного сооружения, его тепло­ вой режим и экспозицию строительной площадки.

Основные принципы управления сезоннопромерзающим н сезоннопротаивающим слоем. В районах с сезонным и глубоким промерзанием земной коры при'проведении инженерных и сель­ скохозяйственных работ приходится управлять мощностью де­ ятельного слоя. Это осуществляют разнообразными методами, которые можно классифицировать как методы тепловой и водно­ тепловой мелиорации.

При тепловой мелиорации тепловой режим пород регулиру­ ется путем воздействия на условия кондуктивной теплопровод­ ности — внешний теплообмен и теплофнзические свойства. Необ­ ходимость тепловой мелиорации почв и горных пород в районах с сезонным и глубоким промерзанием земной коры впервые приз-

72

пал П. И. Колосков. Благодаря последующим работам В. ГГ. Баканипа [12], М. М. Крылова [13], М. II. Гольдштейна [14], II. А. Пузанова [15], В. Г. Гольдтмана [16] п других исследова­ телей методами тепловой мелиорации решен широкий круг прак­ тических задач в дорожном и горном деле, а также в сельскохо­ зяйственном производстве.

Возможности тепловой мелиорации чрезвычайно широки. В районах Крайнего Севера (Магадан, Якутск) приток солнечной радиации, равный 60—70 ккал/см2 за теплый период (с мая по сен­ тябрь), достаточен, чтобы растопить слой льда более 7 м, а слой мерзлых пород в 10—30 м. Однако большая часть поступающей энергии расходуется на отражение, излучение, турбулентный теплообмен н испарение. В естественных условиях тепловой ноток

13I ВУг7/ •"T V Т / Л У Х У / Т / Т У / Т / 7Т-

в=ев

Рис. 12. И зменение составляю щ их теплового б ал ан са п ри тепловой м ели ­ орации .

а — естественные условия; б — зачернекие поверхности; в — пленочное покрытие;

на прогревание и протаивание пород за теплый сезон составляет всего 2—15% суммарной радиации. Тепловая мелиорация стре­ мится сократить потери и увеличить тепловой поток в верхний слой земной коры. На регулировании составляющих теплового баланса на поверхности — лучистого теплообмена, конвективного тепло- и массообмена, затрат на таяние снежного покрова, а также на искусственном преобразовании поверхностного слоя основаны многие приемы тепловой мелиорации.

Приведем примеры направленного изменения составляющих теплового баланса в результате применения простейших приемов

73-

тепловой мелиорации на одном из участков в Центральной Якутии. Так, в естественных условиях из 100 единиц приходящей радиации расходуется на отражение 18 единиц, на эффективное излуче­ ние 35, на турбулентный теплообмен 10, на испарение 34, в породу поступает всего 3 единицы тепла (рис. 12, а). При зачер­ нею т поверхности значительно уменьшается ее альбедо, что при­ водит к уменьшению отраженной радиации до 11 единиц, однако несколько возрастают другие расходные составляющие (см. рис. 12,

Тепловая мелиорация особенно эффективна в весенний период, когда искусственно (путем расчистки снега и другими способами) можно повысить радиационный баланс в 1,5—2 раза и более. Применение простейших приемов тепловой мелиорации в летний период позволяет повысить радиационный баланс всего на 20— 30%.

Таким образом, пределы направленного изменения резуль­ тирующей лучистого теплообмена весьма ограничены. Однако повысить тепловой поток в породу и увеличить глубину протаивания можно не только путем увеличения лучистого притока тепла, но и сокращением расходных составляющих — турбу­ лентного теплообмена, затрат тепла на испарение поровой влаги и таяния снежного покрова. Затраты тепла на испарение — наиболее энергоемкая составляющая теплового баланса. Значительное сни­ жение расходной составляющей можно осуществить, укладывая на поверхности пород пленочные покровы. Расчеты и наблюдения показывают, что применение пленок позволяет снизить затраты тепла на испарение на треть — две трети. Добиться полного сни­ жения испарения можно нанесением на поверхность пород тонкой эмульсии из полимеров, битума, дегтя, газогенераторной смолы, отходов нефтепродуктов. При этом происходит оструктуривание и повышение гидрофобности поверхностного слоя, вследствие чего подъем поровой воды к поверхности затрудняется (см. рис. 12, б).

Осуществляемое при тепловой мелиорации воздействие на одну из составляющих теплового баланса нарушает установившееся в природе устойчивое тепловое равновесие и вызывает изменение других составляющих в противоположном направлении. Это в зна­ чительной мере снижает эффективность тепловой мелиорации. Так, при направленном повышении радиационного баланса и л и при защите пород от испарения увеличивается турбулентный теплообмен. Поэтому искусственное изменение любой из состав­ ляющих теплового баланса в очень широких пределах приводит к не столь уж значительному изменению теплового потока в породу. При правильном комплексировашш способов, основанных на ис­

Для повышения интенсификации сезонного протаивают при­

74

меняются следующие приемы тепловой мелиорации — расчистка леса и кустарника, удаление влагоемкого мохово-торфяного по­ крова, поверхностное осушение и открытый дренаж. Эти способы приводят к сильному нарушению естественных условий местности и применяются при таких работах, когда породу после оттаивания извлекают (например, драгируют).

Наиболее полно использовать тепло солнечной радиации удается при послойном устранении талого слоя. При обнажении мерзлой породы прежде всего изменяется альбедо поверхности. Так как отражательная способность кристаллов льда, содержа­ щегося в мерзлой породе, выше, чем воды, то и альбедо породы пос­ ле оттаивания понижается (на 3—5%). Ухудшение поглощающей способности поверхности с избытком компенсируется тем, что рез­ ко снижается эффективное излучение (см. рис. 12, г). Поэтому в целом радиационный баланс может повышаться в 1,5—2 раза и более. Кроме того, турбулентный теплообмен изменяет свое направление на обратное и превращается в приходную состав­ ляющую теплового баланса. Тепловой поток в породу увеличи­ вается во много раз и становится сопоставимым с величиной суммарной радиации (см. рис. 12, г).

Из методов тепловой мелиорации, не связанных с удалением пород после оттаивания, широкую практическую проверку прош­ ли синтетические пленочные покрытия. Идея использования пле­ нок из синтетических материалов для управления составляющими теплового баланса высказывалась уже в 40-е годы; ее практическая реализация на горнодобывающих предприятиях стала возможной благодаря исследованиям В. И. Бакакина. Наиболее пригодными для искусственного оттаивания мерзлых пород оказались свето­ прозрачные пленки из полиэтилена. Они даже на второй год эксплуатации теряют свою прозрачность всего на 8—10%, тогда как прозрачность полихлорвиниловой пленки В-118 уже через месяц становится примерно в 2 раза ниже по сравнению с поли­ этиленовой. Полиамидная пленка хорошо сохраняет свою проз­ рачность в процессе эксплуатации, однако быстро разрушается на солнце.

Полиэтиленовая пленка увеличивает альбедо поверхности примерно в 2 раза и несколько снижает радиационный баланс (на 5—15%). Увеличение теплового потока в породу и глубины сезонного протаивания под пленкой происходит вследствие та­ ких причин:

1) снижения затрат тепла на испарение влаги (при расстилке на поверхности пород пленок количество испаряющейся влаги не превышает суммы выпадающих осадков);

2) задерживания пленками длинноволнового излучения пород

(радиационный оранжерейный эффект); 3) снижения коэффициента теплоотдачи поверхности вслед­

ствие изменения структуры пограничного слоя (конвективный эффект);

75

ных покрытий наиболее высока при сравнительно коротком пери­ оде эксплуатации, их целесообразнее всего применять для уско­ рения оттаивания сезонномерзлого слоя пород. Однако в горно­ технической практике пленочные покрытия используются и для оттаивания мерзлых пород.

Управление составляющими теплового баланса в летний сезон с целью интенсификации нротаиванпя — лишь одна часть проб­ лемы тепловой мелиорации почв и горных пород мерзлой зоны литосферы. Другая часть этой важной народнохозяйственной проблемы — предохранение оттаявшего слоя от зимнего промер­ зания.

В зимний сезон все составляющие теплового и радиационного баланса пород малы, за исключением эффективного излучения. Добиться снижения можно практически единственным способом — укладывать осенью (до выпадения снега) на поверхности пород пленки, задерживающие длинноволновую радиацию. В некоторых опытах пленка, разостланная на поверхности талой породы, предохраняла ее от промерзания в течение 2—3 недель.

Так как возможности управления эффективным излучением весьма ограничены, зимние мелиорации основываются преиму­ щественно не на управлении составляющими теплового баланса, а на создании на поверхности пород дополнительной термоизо­ ляции, типичными видами которой являются снег, промерзающий слой воды, ледовоздушное покрытие, щиты из пенопласта, пенолед и пр. Идея получения пористого льда путем нагнетания в замерзающую воду сжатого воздуха была предложена М. М. Кры­ ловым. Большую пористость и меньшую теплопроводность имеет

76

поиолед. Для его получения в водный поток вводят понообразующий состав, который выбрасывается через брандспойт при низ­ ких температурах воздуха и замерзает, образуя ячеистую ледяную массу. Стойкость пены повышают стабилизирующими добавками, увеличивающими ее вязкость и дающими возможность получить слой необходимой толщины (казеиновый клей, смола и др.). Па участках с небольшим объемом работ применяют термопокры­ тия минерального (шлаковата, стекловолокно) и органического (хвойная лага, ветки кустарника) происхождения. В последнее время проводится много опытных работ по применению высокопористых синтетических материалов, теплопроводность которых лишь ненамного выше теплопроводности воздуха, для защиты пород от промерзания. Хорошо зарекомендовали себя различные виды пенопластов. Пенопласт имеет замкнутые поры, достаточно прочен и долговечен. Весьма перспективными для защиты пород от замерзания могут быть многослойные пленочные покрытия, в которых толщина зазора между пленками не должна превышать нескольких миллиметров. Такие покрытия снизят до минимума передачу тепла путем свободной конвекции.

Наиболее дешевый и поддающийся механизации способ защиты пород от промерзания — снегование полей. Попытки применить для этой цели обычные дождевальные машины не привели к успеху, так как снег получался слишком плотным (р/>0,3 г/см3), а следо­ вательно, и высокотеплопроводным.

При водно-тепловой (гидротермической) мелиорации регули­ рование теплового и водно-теплового режима пород осуществляют пе только путем воздействия на кондуктивную теплопроводность, но и путем создания искусственного тока воды, служащего теп­ лоносителем. Одним из первых ученых — пропагандистов по пре­ образованию природы с помощью гидротермических мелиораций — был М. М. Крылов.

Еще в прошлом веке А. Э. Гедройц подметил, что глубина сезонного протаивания в южных районах мерзлой зоны зависит от количества летних осадков. В дождливые годы протаивание больше, чем в сухие. Поскольку коэффициент фильтрации и коэф­ фициент теплопроводности возрастают с увеличением крупности частиц, то глубже всего протаивают галечники, затем пески

псупеси, меньше всего суглинки и глины.

Вразличных способах гидротермической мелиорации для от­

таивания грунтов используют вынужденную конвекцию воды — фильтрацию и инфильтрацию, а для их увлажнения — затопле­ ние.

Интенсивность протаивания мерзлых пород, на поверхности которых или в которых искусственно создается фильтрационный поток, резко возрастает. Фильтрационный поток, установив­ шийся в талой зоне, обусловливает приток конвективного тепла к границе протаивания. Передача тепла конвекцией от фильтра­ ционного потока к протаивающей породе называется поперечной

77