ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОТОКА НА ПРОТАИВАНИЕ ПОДВОДНОГО СКЛОНА И ТЕМПЫ БЕРЕГОВОЙ ЭРОЗИИ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ

Полный текст

Введение Мерзлота является причиной как чрезвычайной стабильности русловых потоков вследствие своих сковывающих и цементирующих свойств, так и причиной определенной нестабильности (например, при техногенных нагрузках) в условиях криолитозоны. Это приводит к тому, что огромное количество исследований, проводящихся в разное время, дают спектр противоречивых результатов, даже в рамках одной географической местности и даже одного потока. Вполне вероятно, что комбинации различных факторов могут приводить к различным соотношениям скоростей сезонного протаивания грунта и эрозии, что требует особой тщательности и осторожности, особенно при инженерном проектировании. Не всегда представляется возможным провести натурные наблюдения, а уж тем более сравнивать абсолютные скорости боковой эрозии различных мерзлых русел нерегулируемых потоков, но вполне возможно допустить, что влияние на размыв внешних условий является более стабилизирующим фактором в зоне мерзлоты, чем в районах, не принадлежащих криолитозоне. Поэтому коллективом авторов были проведены эксперименты с мерзлыми грунтами разного состава в лаборатории РУДН. Экспериментальные исследования влияния потока на размыв подводного склона Интенсивность разрушения берегов северных водоемов связана с тем, что размыв подводного берегового склона, сложенного мерзлыми льдистыми породами, осуществляется под действием не только механической, но и тепловой энергии движущейся воды. При этом интенсивность размыва мерзлых пород зависит от температуры [1] и льдистости пород [2]. Ранее [3] была получена формула для транспортирующей способности водного потока с учетом изменения льдистости: где S - транспортирующая способность потока; U - средняя скорость потока; h - глубина потока; w - гидравлическая крупность незамерзшего материала; i - льдистость за счет ледяных включений в долях единицы (д.е.). Из формулы транспорта наносов (1) и формулы Дарси-Вейсбаха для потока на склоне с учетом льдистости получаем формулу размыва твердого вещества поверхностным стоком [4]: где S - транспортирующая способность склонового потока; q ск - удельный расход склонового потока; λ - коэффициент сопротивления, или потери энергии на трение по длине - определяется экспериментально; α - угол уклона берега. Таким образом, видим, что зависимость размыва твердого вещества от угла уклона (при прочих равных условиях) будет иметь степенной (4/3) вид (рис. 1). В гидравлической лаборатории РУДН была проведена серия зкспериментов с полистиролом и с различным углом уклона для определения влияния потока на темпы эрозии. Полистирол обладает меньшей плотностью и большей плавучестью, чем песок. Следовательно, для него можно подобрать такие скорости, которые будут размывающими для полистирола, но неразмывающими для песка. Таким образом, авторам удалось смоделировать двухслойную породу, слои которой имеют различные физические свойства (аналогично природным условиям: сезонноталый подвижный слой и слой ММП). Предварительно полистирол смочили водой так, чтобы вода заполняла все пространство между частицами (насыщенный влагой грунт) и заморозили. Затем замороженные формы вложили в склон, имеющий естественный для песка угол откоса. Полистирол был погружен в поток на 5,5 см, на поверхности оставалось 2 см. Можно было наблюдать различную скорость таяния замороженных кусков полистирола в потоке и на воздухе. Через 20 мин погруженная часть полностью оттаяла и размылась, тогда как верхняя часть оставалась скованной льдом еще 20 мин, и только под воздействием проседания и погружения в поток подвергалась размытию (рис. 2). Рис. 1. Зависимость размыва твердого вещества со склона от угла уклона берега (при прочих равных условиях) Рис. 2. Влияние потока на подводный размыв оттаявшего материала На участках берегового откоса, лежащих выше уреза воды, влияние потока не распространяется, и в отсутствии каких-либо внешних условий (дождь, снеготаяние, любых других факторов, вызывающих склоновые потоки) протаивание грунта не вызывает подвижки материала, а только частное проседание. Таким образом, была проверена формула (1) - влияние скорости потока на продольный транспорт наносов (видны размывы в подводной части и навесы над водой, где скорость течения равна нулю). Экспериментальное исследование связи протаивания подводного склона и темпов береговой эрозии В работе [5] проведено наиболее полное на сегодняшний момент теоретическое исследование движение фронта протаивания в зависимости от глубины размыва талого грунта при типичных значениях теплофизических параметров для различных скоростей движения фронта эрозии и установлены закономерности процесса. При увеличении скорости фронта эрозии (рис. 3) происходит увеличение скорости фронта протаивания. При этом рост скорости фронта эрозии приводит к уменьшению толщины талой прослойки. Такое развитие процесса термоэрозии соответствует предельно-термоэрозионному типу размыва, основным механизмом которого служит тепловой фактор. Однако в дальнейшем он переходит в термоэрозионный тип, характер взаимодействия водного потока с породой в этом случае определяется уже механическими факторами (прочностные свойства мерзлых пород, кинетическая энергия водного потока). При росте льдистости мерзлых грунтов скорость движения фронта протаивания замедляется, толщина талой прослойки уменьшается. Рис. 3. Динамика фронтов эрозии (1′, 2′, 3′) и протаивания (1, 2, 3) при различных значениях коэффициента теплопроводности Увеличение температуры водного потока, взаимодействующего с мерзлым грунтом, способствует росту талой прослойки, так как оттаивание породы про- исходит быстрее. Скорость протаивания намного опережает интенсивность размыва и происходит постепенное нарастание талого слоя, идет размыв и вынос разупрочненного грунта. На коэффициент теплопроводности оказывает сильное влияние плотность, состав включений, льдистость и состояние пород (талое - мерзлое). С увеличением льдистости повышается значение коэффициента теплопроводности. При прочих равных условиях скорость протаивания увеличивается в направлении: глины - супеси - пески. Натурные исследования на нескольких реках Аляски [6] показали, что скорость протаивания подводного берегового склона зависит от текстуры материала и температуры воды. Результаты наблюдений [6] показывают общую тенденцию эрозии отставать от оттаивания. При этом сравнение скоростей эрозии и скоростей протаивания на двух реках Аляски показало равные результаты, независимо от свойств грунтов (рис. 4). Это как раз те случаи, когда отрицательная температура играла доминирующую роль, не давая грунту оттаять. Рис. 4. Сравнение скоростей протаивания и эрозии на примере рек Аляски: а - для несвязанного типа грунта; б - для связанного Эксперименты с различным углом откоса проводились для смоченного замороженного грунта (аналог подводного склона в условиях криолитозоны) и для естественного замороженного (аналог надводного склона в тех же условиях). Проводились замеры изменения профиля относительно начала эксперимента по времени для трех случаев: 26° (естественный угол залегания откоса), 40 и 50°. Были проведены замеры оттаивания и эрозии в течении времени, построены графики протаивания грунта различной заморозки и графики размыва для каждого эксперимента в зависимости от времени. Полученные графики однозначно интерполируются логарифмической зависимостью. Для уклона берега 40° логарифмическая аппроксимация этих зависимостей представлена на рисунке 5. Для других углов уклона графики имеют аналогичный характер. Рис. 5. Зависимость фронта протаивания Z, мм (логарифмическая аппроксимация) от времени t: пунктирная линия - для смоченного грунта, точечная - для естественного влажного; сплошная линия - движение фронта эрозии. Замеры проводились каждые 15 мин Из графиков видно, что начало эрозии (размыва) происходит спустя некоторое время после начала протаивания, а скорость эрозии значительно отстает от скорости протаивания минимум в 2 раза. Протаивание замороженного естественно- го грунта и замороженного смоченного (например, такой грунт образуется ниже уреза воды в самом потоке, замерзая вместе с ним) отличаются примерно в 1,5 раза. Хотя скорость протаивания смоченного и замороженного грунтов отличается, размыву подвергается только участок, находящийся в воде. Верхняя, надводная часть склона, подвергалась проседанию. Надо заметить, что в случае с углом 50° логарифмическая зависимость эрозии наблюдалась до определенного момента (спустя 2 ч 30 мин). Далее наблюдался отрыв большого куска грунта сверху. Это как раз тот случай, когда образуются, кроме солифлюкции, поверхностные оползни. Если сопоставить значения эрозии для различных углов уклона (рис. 6) в одинаковые моменты времени, то можно увидеть, что зависимость этих значений будет описываться функцией tg α 4/3 с определенным коэффициентом. Значения этого коэффициента рассчитываются по уравнению (2). Таким образом, экспериментально подтверждена зависимость, полученная ранее в теоретическом виде. Эрозия подводного берегового склона в условиях криолитозоны - сложный физический процесс, окончательный результат которого зависит от массы факторов. И только рассматривая все эти факторы в совокупности, можно с определенной достоверностью спрогнозировать поведение породы в определенной точке земного шара в определенное время года и при определенных метеоусловиях. Выводы Интенсивность разрушения берегов северных водоемов связана с тем, что подводный береговой склон, сложенный мерзлыми льдистыми породами, размывается под действием не только механической, но и тепловой энергии движущейся воды. При этом интенсивность размыва мерзлых пород зависит от температуры и льдистости пород. Скорость эрозии значительно отстает от скорости протаивания минимум в 2 раза. Протаивание замороженного естественного грунта и замороженного смоченного отличаются примерно в 1,5 раза. Протаивание замороженного сухого грунта и замороженного смоченного (например, такой грунт образуется ниже уреза воды в самом потоке, замерзая вместе с ним) отличаются примерно в 1,5 раза. Значение размыва оттаивающих пород непосредственно связана с углом залегания откоса вследствие добавления к основному воздействию потока таких явлений, как солифлюкция и оползни. При увеличении угла откоса талый увлажненный грунт легко сползает по слою еще мерзлого грунта. Слои грунта, лежащие глубже, будут испытывать те же деформации с некоторым запаздыванием (в зависимости от скорости протаивания). Таким образом, в результате многолетних размывов будет происходить непрерывное оттаивание пород и смыв вновь образующегося деятельного слоя со скоростью, соответствующей механическим свойствам подстилающих грунтов. Деформации будут происходить до тех пор, пока не обнажатся скальные породы и/или размываемый слой не приобретет естественный для данного типа грунтов угол откоса. Экспериментально показано, что зависимость размыва твердого вещества от угла уклона (при прочих равных) будет иметь степенной (4/3) вид. Таким образом, экспериментально подтверждена зависимость, полученная ранее в теоретическом виде. Хотя мерзлота отличается чрезвычайной нестабильностью, как может быть нестабильным такое вещество, как лед, тем не менее, нет никаких оснований считать, что русла рек в криолитозоне с физической точки зрения отличаются от аналогичных русел в умеренных широтах. Просто в первом случае в уравнение добавляется дополнительная переменная - льдистость, и уравнения решаются с учетом реальных показателей окружающей среды (скорость ветра, температура, освещенность). Полученные результаты исследования одной из составляющих единого термогидродинамического процесса (радиационное снеготаяние) являются необходимой частью общего прогноза влияния изменения климата на течение деструкционных криогенных процессов в зоне ММП.

Об авторах

Владимир Кириллович Дебольский

Институт водных проблем РАН

Email: vdebolsky@mail.ru
профессор, доктор технических наук, заведующий лабораторией «Динамики русловых потоков и ледотермики» Института водных проблем РАН. Сфера научных интересов: гидравлика, инженерная гидрология, гидродинамика, водные ресурсы, гидрохимия, ледотермика ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333

Оксана Яковлевна Масликова

Институт водных проблем РАН

Email: oksana68@mail.ru
кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории «Динамики русловых потоков и ледотермики» Института водных проблем РАН. Сфера научных интересов: гидравлика, инженерная гидрология, ледотермика ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333

Дмитрий Николаевич Ионов

Институт водных проблем РАН

Email: dima_ionov@mail
инженер лаборатории «Динамики русловых потоков и ледотермики» Института водных проблем РАН. Сфера научных интересов: гидравлика, инженерная гидрология, ледотермика ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333

Илья Игоревич Грицук

Институт водных проблем РАН; Российский университет дружбы народов

Email: gritsuk_ii@pfur.ru
кандидат технических наук, доцент департамента «Архитектуры и строительства» инженерной академии Российского университета дружбы народов. Старший научный сотрудник лаборатории «Динамики русловых потоков и ледотермики» Института водных проблем РАН. Сфера научных интересов: гидравлика, инженерная гидрология, ледотермика ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333; ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Назира Тентимишовна Джумагулова

Московский государственный строительный университет

Email: dnazira@rambler.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидравлики и гидротехнического строительства» Национального исследовательского Московского государственного строительного университета (НИУ МГСУ). Сфера научных интересов: гидравлика, водоснабжение и канализация Ярославское шоссе, 26, Москва, Россия, 129337

Список литературы