Лёд и Снег • 2013 • № 1 (727)
УДК 556.5
Моделирование деформаций русел, сложенных мёрзлыми породами, при повышении температуры окружающей среды
© 2013 г. Е.И. Дебольская1, В.К. Дебольский1, И.И. Грицук1, О.Я. Масликова1, Д.Н. Ионов2
1Институт водных проблем РАН, Москва; 2Российский университет дружбы народов, Москва
e_debolskaya@yahoo.com
Статья принята к печати 12 марта 2012 г.
Береговые деформации, водный поток, лабораторный эксперимент, математическое моделирование, многолетнемёрзлые породы, таяние льда.
Coast deformation, ice melting, laboratory experiment, mathematical modeling, permafrost, water flow.
Работа посвящена исследованию влияния речного потока и повышения температуры воды на деформации береговых склонов, сложенных многолетнемёрзлыми породами с включением пластов льда. Методы исследования - лабораторное и математическое моделирование. Лабораторные эксперименты показали, что при повышении температуры воды и воздуха изменения в структуре лабораторного аналога многолетнемёрзлого грунта вызывают деформации русла даже без волнового воздействия, т.е. при стационарном режиме течения и неразмывающих скоростях водного потока. В связи с этим возникла необходимость усовершенствования разработанной ранее модели деформации русла с целью учёта долгопериодных изменений структуры грунта при повышении температуры воды. В основу трёхмерной математической модели термоэрозии береговых склонов рек, протекающих в районах развития многолетней мерзлоты, и её верификации положены результаты лабораторных экспериментов в гидравлическом лотке. Анализ результатов математического и лабораторного моделирования показал, что русловые деформации рек, протекающих в криолитозоне, значительно отличаются от деформаций русел, сложенных грунтами, не подверженными влиянию фазового перехода «вода-лёд», и могут наблюдаться даже при неразмывающих скоростях водного потока.
Введение
Глобальные климатические изменения, происходящие на Земле в последние десятилетия, приводят к росту числа катастрофических явлений, в том числе наводнений, вызванных ледовыми процессами. Их негативные последствия на реках, протекающих в криолитозоне, могут усугубляться значительными русловыми деформациями, которые обусловлены не только воздействием водного потока, но и изменением структуры мёрзлого грунта, слагающего ложе рек, за счёт повышения температуры воды и воздуха. Изменения условий размывов берегов рек, активизации и увеличения протяжённости зон размывов происходят и в результате хозяйственной деятельности. Как отмечается в работе [7], регулирование стока рек водохранилищами и прохождение волн попусков в нижние бьефы гидроузлов сопровождаются 2-3-кратной активизацией размывов берегов ниже плотин. По мере изменения морфометрии русла и установления гидравлических характеристик потока этот процесс может затухать. Однако продолжительность такого установления может составлять десятилетия.
При строительстве крупных гидроузлов в прошлом веке активизация размывов берегов в
нижних бьефах, как правило, не связывалась с режимом попусков. В работе [6] сделано важное замечание, что действующие в настоящее время нормативные документы по расчёту русловых деформаций, разработанные на основе теории русловых процессов, предполагают их применение, в основном, на реках немерзлотной зоны. В зоне многолетнемёрзлых пород (ММП) русловые процессы имеют свои специфические особенности. Мерзлота может играть роль и сдерживающего, и усиливающего интенсивность деформаций берегов фактора при её растеплении, так как сильнольдистые тонкодисперсные породы при оттаивании приобретают текучие свойства. В этих документах не учитываются высокая ранимость природных комплексов Севера, их быстрое и чаще всего негативное реагирование почти на любое антропогенное воздействие, а также низкая способность к восстановлению.
Результаты многолетних исследований авторов [4] в зоне мерзлоты при изыскательских работах для проектирования подводных переходов трубопроводов через реки и сооружений на их берегах, а также семилетние экспериментальные наблюдения на ключевых участках рек арктического региона показали значительный рост скоро-
стей горизонтальных деформаций русел на участках с антропогенным воздействием по сравнению с естественным, особенно при пересечении рек многониточными подводными переходами трубопроводов. Разработки методов защиты берегов рек от размыва в зоне ММП мало освещены в литературе. Именно поэтому исследование деформаций русел северных рек и прогнозирование их на перспективу, особенно при техногенном воздействии, а также разработка способов защиты мёрзлых берегов от размыва — актуальные задачи как с научной, так и практической точек зрения.
К мёрзлым относятся грунты всех видов, если они имеют отрицательную температуру и содержат в своём составе лёд. Грунты называют многолет-немёрзлыми, если в условиях залегания они находятся в мёрзлом состоянии непрерывно (без оттаивания) в течение многих (трёх и более) лет. Мёрзлые породы представляют собой поликомпонентные многофазные системы, отличающиеся от немёрзлых пород своим составом (наличием льда) и строением (криогенной текстурой). Лёд в мёрзлых породах служит одновременно и породообразующим минералом, и цементом, связывающим минеральные частицы и увеличивающим прочность породы. Мёрзлые и многолет-немёрзлые грунты из-за наличия в них льдоце-ментных связей при отрицательной температуре представляют собой очень прочные и малодефор-мируемые природные образования. Однако при повышении или понижении температуры окружающей среды (даже в области отрицательных температур) за счёт оттаивания льда или замерзания части поровой воды свойства грунтов могут изменяться. Так, при оттаивании порового льда структурные льдоцементные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации русел даже при отсутствии воздействия волн попусков и половодья. Совокупность волнового и термического воздействия может привести к аномальному развитию русловых деформаций, обострить проблемы, связанные с судоходством и работой гидротехнических сооружений. При описании Мезенского залива В.П. Зенкевич ещё в 1938 г. отмечал, что разрушение берегов происходит под влиянием двух факторов: действия волн и размерзания мерзлоты. В зависимости от геологического строения берега эти процессы протекают по-разному [3].
В связи с тем, что масштабные объекты гидроэнергетики и нефтедобывающей промышленности в России находятся в районах Сибири и Дальнего Востока, расположенных в зонах развития ММП, всё чаще подвергающихся воздействию климатических аномалий, их исследованиям в последнее время стали уделять большее внимание. Однако до
сих пор, главным образом, изучались последствия расположения в зоне ММП плотин и их водохранилищ. В последнее время усилился интерес к изучению переформирования морских берегов и приустьевой зоны северных морей, роли термоабразии и термоденудации в разрушении берегов [4, 8]. Русловые деформации нижних бьефов в зоне ММП практически не изучены. Весьма отрывочны сведения о натурных наблюдениях, а лабораторные исследования вообще не проводились. Отсутствуют и математические модели деформаций русла в нижних бьефах гидротехнических сооружений, учитывающие изменения характеристик многолет-немёрзлого грунта. Тем не менее, известен, например, факт значительного переформирования русла Енисея под воздействием волны половодья с размывом берега, обнажившим целую ледяную гору. Временные масштабы влияния климатических изменений и изменений гидравлических параметров потока на береговые деформации различны. Климатическая составляющая оказывает основное воздействие на состояние грунта берегов водохранилищ, грунтовых плотин и их оснований, тогда как в нижних бьефах более существенную роль должна играть динамика гидравлических характеристик потока, но при этом нельзя не учитывать и возможные изменения характеристик грунта, вызванные климатическими, более крупномасштабными временными изменениями.
Цель, методы исследования и постановка задачи
Цель выполненного исследования — установить влияние динамики речного потока и повышения температуры воды на деформации береговых склонов, сложенных ММП с включением пластов льда, учитывая при этом процессы термоэрозии и термокарста. Методы исследования — лабораторное и математическое моделирование. В основу трёхмерной математической модели термоэрозии береговых склонов рек, протекающих в районах ММП, и её верификации положены результаты лабораторных экспериментов, выполненных в гидравлической лаборатории Российского университета дружбы народов. Проведённые ранее [5] лабораторные эксперименты показали, что при повышении температуры воды и воздуха изменения в структуре лабораторного аналога многолетнемёрзлого грунта вызывают деформации русла даже без волнового воздействия, т.е. при стационарном режиме течения и неразмывающих скоростях водного потока. В связи с этим возникла необходимость усовершенствования разработанной ранее модели деформации русла [2] с целью учёта долгопериодных изменений структуры грунта при повышении температуры воды.
0-
Э
\.......J Грунт Вода X/// /j Лед
Рис. 1. Схема поперечного сечения с двумя пластинами
льда до начала таяния (а) и в процессе таяния (б).
Остальные усл. обозначения см. текст
Fig. 1. Scheme of the cross-section with two plates of ice before
melting (a) and in the process of melting (б).
Остальные усл. обозначения см. текст
Анализ лабораторных экспериментов показал, что при стационарном режиме течения с неразмы-вающими скоростями трансформации в скоростном режиме, способные вызвать перенос наносов, необходимый для деформации русла, могут быть обусловлены только изменением поперечного сечения на участке русла, где в береговом склоне за счёт таяния ледяных пластов возникают полости. Сложная морфометрия образующегося русла и возможное изменение режима течения требуют использования трёхмерной математической модели. Схема поперечного сечения потока (плоскость y—z) в данной постановке, соответствующая проведению эксперимента в лотке, приведена на рис. 1. Основное течение потока
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.