ЕСТЕСТВЕННОЕ ОТТАИВАНИЕ И ПОВЕРХНОСТНАЯ ТЕПЛОВАЯ МЕЛИОРАЦИЯ

Естественное оттаивание сезонно- и многолетнемерзлых пород — безусловно самый простой, не требующий никаких трудовых и экономических затрат способ водно-тепловой мелиорации. Однако возможности его в условиях непродолжительного северного лета довольно ограничены. С помощью естественного оттаивания на горных предприятиях Северо-Востока решается задача накопления талого слоя максимальной мощности для осенних вскрышных работ.

В предыдущем разделе отмечено, что в естественных условиях структура радиационно-теплового баланса поверхности горных пород не способствует формированию больших теплопотоков в глубину оттаивающего массива. Однако в зависимости от состава и свойств контактного слоя условия теплообмена на поверхности и глубины оттаивания могут резко изменяться даже на близлежащих участках.

В соответствии с представлениями Л. И. Колоскова и классификацией В. А. Кудрявцева (.1954), природные типы сезонного оттаивания многолетнемерзлых пород разделяются по следующим наиболее важным признакам: 1) среднегодовой температуре пород;

2) амплитуде температурных колебаний на их поверхности (под снежным и растительным покровами);

3) литологическим особенностям; 4) общей льдистости.

По В. А. Кудрявцеву, среднегодовая температура пород (ТСр) является показателем устойчивости типа сезонного оттаивания. Например, в интервале 0 < │Тср│ <1 сезонное оттаивание периодически переходит в сезонное промерзание, т. е. в более теплые годы периодически возникают нерелетки талых пород. По среднегодовой температуре выделяется шесть типов сезонного оттаивания: переходный (—1°<Тср<0°); полупереходпый (—2°<Тср< — 1°); длительно устойчивый (—5° < Тср <—2°); устойчивый (—10°<Тcр<—5°); арктический (—150<Тср<—10°); полярный (Тср < —15°).

На Северо-Востоке достоверно установлены первые пять типов сезонного оттаивания и предполагается наличие шестого (полярного). Из них наиболее широко распространены длительно устойчивый и устойчивый. Амплитуда колебаний температуры поверхности (А0) обычно в большей степени, чем Тср влияет на мощность сезонноталого слоя. По этому признаку в классификации выделено семь типов — от морского до особо резко континентального. Все они встречаются на рассматриваемой территории, причем малые значения А0 обусловлены теплоизолирующим действием растительного и сложного покровов. По литологическим особенностям оттаивающего слоя выделяется десять основных видом, а по количеству влаги, участвующей в фазовых переходах, четыре (Достовалов, Кудрявцев, 1967). Таким образом, максимальное число разновидностей сезонного оттаивания в геолого-географических условиях Северо-Востока 6X7X10X4=1680.

Фактически их во много раз меньше, потому что в природе названные классификационные признаки не могут комбинироваться произвольно. Обычно каждому литолого-генетическому комплексу соответствует небольшое количество типов контактного слоя с присущими им режимом увлажнения, характером растительности и определенными значениями ГС1, и Л0. Выявление в региональном масштабе зависимостей типов сезонного оттаивания от условий осадконакоплении — задача интересная, но для Северо-Востока пока еще не решенная. В прикладных целях важно проследить влияние различных факторов природной обстановки иа формирование глубин сезонного оттаивания.

А. И. Калабин (1960) отмечает для Северо-Востока наиболее тесную связь мощности сезонноталого слоя с составом пород. Например, переувлажненный торф, льдистость которого нередко достигает 800 кг/м³, а теплопроводность в талом состоянии мала, протаивает за сезон всего на 0,2—0,4 м. Гравийно-галечниковые породы, не перекрытые слоем мелкозема, обычно зарастают лишь редким кустарником и разнотравьем. Температурные колебания па их поверхности имеют большую амплитуду. Если к тому же существующие условия благоприятствуют сработке грунтовых вод до перемерзания слоя сезонного оттаивания, то суммарная льдистость может оказаться меньше 1/3 полной влагоемкости отложений. При этом глубина оттаивания в третьем и даже четвертом мерзлотных районах может превышать 3 м.

Влияние растительности на температурный режим пород в общем сложно и многообразно. Обычно древесная растительность, кустарник и травостой способствуют накоплению более высокого и рыхлого снежного покрова, что повышает не только зимнюю, но и среднегодовую температуру контактного слоя. Однако поздний сход снега в весенний период и ослабление потока проникающей солнечной радиации заметно сокращают амплитуду температурных колебаний поверхности и продолжительность оттаивания. Результирующее воздействие растительности ведет к сокращению мощности сезонноталого слоя. Сильным охлаждающим влиянием отличается моховой покров по причине малой теплопроводности (в талом состоянии) и повышенной способности к транспирации почвенной влаги. Даже в южных районах описываемой территории на участках с «подушкой» влажного сфагнового мха подошва талого слоя, как правило, не опускается ниже мохового очеса.

Зависимость глубины сезонного оттаивания от экспозиции склонов в чистом виде проследить очень трудно. Моховой покров почти полностью нивелирует эти различия (Калабин, 1960). На участках, лишенных растительности пли поросших редким кустарником, мощность сезонноталого слоя па южных склонах в 2—2,5 раза больше, чем на северных. Однако более теплые склоны обычно бывают и более сухими.

Снежный покров, как уже отмечено, повышает среднегодовую температуру горных пород и уменьшает А0. Его влияние на глубину оттаивания незначительно.

В ряде работ отмечается отепляющее влияние инфильтрации атмосферных осадков па температурный режим горных пород (Основы геокриологии, ч. 1, 1959, гл. VIII; Чижов, 1966; Кудрявцев, 1967). При оценке роли инфильтрации необходимо учитывать не только водопроницаемость пород (что признается всеми), но и водоудерживающую способность. В самом деле, если вся масса выпавших осадков проникнет в сухую мелкозернистую породу и будет почти полностыо удержана верхним 20—30-сантиметровым горизонтом, то нельзя считать, что ото будет способствовать увеличению глубины оттаивания. Скорее наоборот, увлажнение контактного слоя вызовет усиленно испарения и понижение температуры горных пород. В крупнообломочных отложениях с высокой водопроницаемостью и малыми значениями наименьшей влагоемкости инфильтрация атмосферных осадков может привести к заметному увеличению мощности сезонноталого слоя. Численные исследования, выполненные па БЭСМ-4 в рамках одномерной расчетной схемы (Меламед, Перльштейн, 1971), позволяют сделать вывод о зависимости отепляющего влияния инфильтрации от режима выпадения осадков. Наибольшую «добавку» обеспечивают дожди, выпадающие в июле — августе, когда температура воздуха еще достаточно высока, а глубина оттаивания приближается к максимуму.

Особые условия сезонного оттаивания создаются в случае интенсивной циркуляции грунтовых вод в крупнообломочных отложениях. По существу, здесь наблюдается естественное фильтрационно-дренажное оттаивание, глубина которого в наиболее благоприятных случаях может приближаться к 4 м. Большая часть круглогодовых надмерзлотных таликов обязана своим происхождением интенсивному конвективному теплообмену при фильтрации грунтовых вод.

В речных долинах третьего и четвертого мерзлотных районов Северо-Востока естественное сезонное оттаивание пород обычно начинается в середине — конце мая и достигает максимума в первой декаде сентября. В середине июня породы протаивают на 50%, а к концу июля — на 85—90% максимальной глубины (рис. III. 2). Па побережье Северного Ледовитого океана и в наиболее высокогорных участках Яно-Чукотской горной страны оттаивание пород начинается на 10—15 дней позднее.

Интересно отметить, что, например, в Сусуманском районе на горных полигонах и строительных площадках, очищенных от снега, уже в конце марта при среднесуточной температуре воздуха около —20° в безветренную солнечную погоду породы за наиболее теплые дневные часы протаивают па 1—2 см.

Рис. 111.2. Темп естественного оттаивания многолетнемерзлых пород во внутриконтинентальных районах Северо-Востока СССР.

Приведенные природные закономерности формирования глубин сезонного оттаивания подсказали простейшие приемы поверхностной тепловой мелиорации, с помощью которых удается, более рационально использовать естественные тепловые ресурсы и повысить скорость оттаивания.

Наиболее широким распространением на приисках Северо-Востока пользуется удаление (задирка) древесной растительности, кустарников, мха, почвенно-растительного слоя, гумусированной супеси и мелкозернистого песка. Повсеместно встречающийся слой мелкозема, обогащенного древесными остатками, обладает высокой льдистостыо, а в талом состоянии служит хорошим теплоизолятором. Если его мощность превышает 0,5 м, а на поверхности имеется хотя бы 10—15 см мха, то естественное оттаивание, как правило, не достигает глубины залегания гравийно-галечниковых отложений. При условии своевременного удаления мелкозема гравий и галечник в зависимости от содержания льда успевают протаять па 2—3 м. Иногда общая мощность россыпи близка к глубине протаивания. В этом случае необходим предварительный расчет по методике, приведенной в разделе «Основы инженерного прогноза… ». При этом проверяется возможность подготовки россыпи за один сезон к вскрышным работам и промывке, а также устанавливается допустимо поздний срок окончания задирки. В настоящее время задирка успешно производится уже в апреле с применением отечественных и импортных рыхлителей па базе мощных тракторов.

В практике приисков нередко возникает необходимость создать хотя бы минимальный запас талых по род для эффективного использования вскрышной техники в конце мая — начале июня. В третьем и четвертом мерзлотных районах на открытых участках снег сходит не раньше середины мая (см. табл. 1.2). Расчетами установлено, что оголенные галечники с содержанием льда 200—250 кг/м³ в течение мая могут оттаять на 0,7—0,8 м.

Простейшим способом ускорения начала оттаивании является механическая уборка снега. При этом необходимо иметь в виду, что преждевременное удаление снежного покрова (например, в начале марта) приведет к значительному охлаждению горных пород и в конечном счете не даст заметного увеличения глубины оттаивании по сравнению с естественными условиями. Для большей части внутриконтинентальных районов Северо-Востока оптимальным сроком уборки снега следует считать вторую половину апреля.

Вместо механического удаления снега может производиться зачернение его поверхности. Таким путем добиваются уменьшения альбедо снежного покрова в 3 раза, почти так же возрастает сумма -поглощенной коротковолновой радиации, в результате чего снег сходит на 3—4 нед раньше обычного. Для зачернения снега используют угольную крошку или сажу в смеси со шлаком и гравием. Оптимальный расход угольной крошки около 300 г/м². Несмотря на применение ручного труда, зачернение поверхности, по данным В. Л. Емельянова (1074), значительно экономичнее механической уборки снежного покрова.

В летнее время для повышения скорости оттаивания иногда применяется понижение уровня грунтовых вод. С этой целью проходят осушительные канавы с минимально доступной шириной по дну на глубину 1—1,5 м через 30—80 м одна от другой. Из-за снижения уровня грунтовых вод значительно сокращаются затраты тепла па испарение п увеличение скорости оттаивания может достигнуть 10—15%. Следует отметить, что данный способ слабо освещен в литературе и недостаточно осмыслен теоретически.

Перечисленные мероприятия поверхностной тепловой мелиорации в ряде южных районов Сибири с большим успехом применяются на дражных и бульдозерно-экскаваторных полигонах в комбинации с защитой талых пород от зимнего промерзания. Так, в долине р. Уиды (Забайкалье) за три года удалось оттаять миоголетнемерзлую россыпь на глубину 7,5 м (Стафеев, 1974). В условиях Северо-Востока поверхностная тепловая мелиорация, как правило, может служить лишь вспомогательным способом подготовки мерзлых пород к выемке.

Источник: Перльштейн Г. 3. Водно-тепловая мелиорации мерзлых пород на Северо-Востоке СССР. Новосибирск: Наука, 1979,— 304 с.