Механизм образования наледных бугров

Наледные бугры - это одно из удивительных явлений зимней природы Севера и Восточной Сибири. Среди застывшей и, кажется, совсем мертвой природы вдруг поднимается на реке ледяной купол. Постепенно он увеличивается, потрескивает на морозе напрягается до предела и вдруг — оболочка его с грохотом разрывается и из трещины бурным потоком выливается вода. Потом все стихает. Купол с трещиной заносится снегом и никогда не оживает или через некоторое время снова начинает потрескивая расти, снова разрывается, освобождаясь от очередной порции воды и газов.

Наледные бугры почти всегда являются одним из элементов наледного процесса. Обычно они появляются в начале — середине зимы и достигают максимального развития в конце морозного периода. Форма их чаще всего бывает вытянутой вдоль течения реки, имеющей поверхность эллипсоида, а иногда шарового сегмента. В большинстве случаев высота бугров колеблется от еле заметного взбугривания льда до 1,5—2 м, а размеры в плане — до 20—50 м. Но иногда встречаются огромные бугры, высота которых может достигать 10 м и размеры в плане 200 м и более.

В феврале 1957 г. автор обследовал огромный наледный бугор пучения на p. Hepe в ЯАССР (рис. 18) . Бугор находился у левого берега реки в устье впадающего в нее небольшого ручья. По форме он приближался к шаровому сегменту. Верхняя часть купола имела одну большую трещину шириной до 0,8 м и несколько поперечных трещин с меньшими размерами. Оболочка купола состояла из слоя льда толщиной 0,44 м и примерзшего к нему снизу слоя грунта толщиной 18—22 см. Внутри бугра на глубину 3,4 м от вершины была пустота, нижняя часть его заполнена водой с ледяным покровом на поверхности. Снаружи нижняя часть купола была затоплена наледной водой, которая вытекала из трещины бугра. После ее послойного замерзания вокруг бугра образовалась наклонная поверхность в виде усеченного конуса, на бугре, был снежный покров толщиной 15—20 см.

Рис. 18. Наледный бугор на р. Нере в ЯАССР. Февраль 1957 г.

На рис. 19 показан разрез бугра, составленный после дополнительного обследования места его образования летом. В основании водотока залегает с небольшой синклиналью глинистый сланец, прикрытый галечно-гравийным аллювием мощностью от 0,5 до 1,3 м. Под руслом ручья движением крупнообломочного аллювия глинистый сланец частично стерт и разрушен. В результате на водоупоре образовалась продолговатая котловина, в которую отжималась вода со значительной площади при промерзании окружающего водоносного слоя. После разрыва бугра в нем оставалось много воды, и она сохранялась до весны.

Рис. 19. Разрез наледного бугра на реке Нере в ЯАССР. Февраль 1957 г. 1 — ледяная оболочка бугра; 2 - грунт, примерзший к ледяной оболочке; 3 — трещина в куполе бугра; 4 — ледяной покров на поверхности воды в бугре; 5 — вода в ледяном бугре; 6 — наледь от излившейся из бугра воды; 7 — гравийно- галечниковый аллювий; 8 — глинистый сланец

Скапливающаяся в наледных буграх вода иногда используется для хозяйственных нужд. В Магаданской области был случай, когда водой наледного бугра, образовавшегося на р. Сеймчан, в конце зимы снабжалась крупная электростанция; при этом из бугра взято около 3500 м³ воды.

Бугры грунтовых наледей образуются на речных террасах, у подножия горных склонов и различных препятствий, возникающих на пути фильтрации грунтовых вод. Как правило, они возникают у дорог, проложенных по склонам и террасам или на поймах при пересечении речных долин. Их расположение обычно приурочено к местам, где аллювий имеет наибольшую мощность и где густая растительность с толстым снежным покровом. В таких местах промерзание отстает от окружающих участков, на которых оно быстрее достигает водоупора, и участок с мощным таликом оказывается в замкнутой полости. Высота бугров грунтовых наледей редко бывает более 2 м, а размеры в плане обычно не более 50 м. Но иногда встречаются бугры большие.

В феврале 1960 г. автором обследован наледный бугор на второй надпойменной террасе р. Буркандьи в Магаданской области. Бугор имел форму конуса (рис.20), диаметр основания 27 м и высоту 3,9 м, толщина оболочки из мерзлого гравийно-песчаного грунта составляла 0,8 м. На вершине бугра была трещина шириной 0,55 м, а внутри — пустота с линзой льда на дне.

Рис. 20. Бугор грунтовой наледи на террасе р. Буркандьи в Магаданской области. Февраль 1960 г.

Теория образования наледных бугров в 20-х гг. текущего столетия дана М. И. Сумгиным. Эта теория основывается на наличии напряжений в грунтах при их промерзании. М. И. Сумгин писал: "Бугры речных и грунтовых наледей — частный случай пучения грунтов; я объединяю все указанные образования (бугры речных и грунтовых наледей, торфяные бугры, бугры-могильники, булгунняхи) генетически единой основной причиной их происхождения, а именно напряжениями в грунтах или воде при их замерзании; на речных потоках к этому прибавляется гидростатическое, а, может быть, в отдельных случаях и гидродинамическое давление воды потоков, находящихся выше по течению места образования наледных бугров". При этом напряжения в грунтах он объяснял напором воды или плывунных масс, поступающих с участков, находящихся в стороне от бугров. Теория М. И. Сумгина не потеряла своего значения и в настоящее время. Однако в свете современных представлений она требует уточнений.

Образование бугров в природе может происходить по одной из двух причин: из-за миграции воды к фронту промерзания и образования ледяных прослоек и из-за внедрения под напором (инъекции) воды или водонасыщенного грунта под купол бугра при промерзании грунта. Поэтому все бугры необходимо разделить на две группы: миграционные и инъекционные. Бугры речных и грунтовых наледей относятся к инъекционным.

На поверхностных водотоках в начальных стадиях наледного процесса, когда ледяной покров тонкий, образование небольших наледных бугров происходит под воздействием напора речного потока. Но величина возникающего в речном и грунтовом потоках напора недостаточна для деформации толстых слоев льда и мерзлого грунта и образования больших наледных бугров. Основной причиной их образования является замерзание воды в замкнутых полостях.

По многолетним наблюдениям автора, на горных реках Магаданской области и Восточной Якутии наледные бугры всегда возникают в определенных местах — ямах и корытообразных понижениях дна рек и ручьев, вытянутых вдоль течения.

После весенних и осенних паводков в результате размывов и переноса аллювия ямы и котловины русла перемещаются. Соответственно в следующий зимний сезон перемещаются и места образования бугров.

Замечено, что наледные бугры образуются также в местах, где мощность аллювия больше, чем на соседних участках. Вокруг таких участков слой аллювия меньшей мощности промерзает до водоупора. Таким образом, часть талого грунта и воды оказывается замкнутой по контуру, сверху и снизу, и дальнейшее промерзание происходит в условиях замкнутой полости.

При приращении толщины льда или мерзлого грунта на величину Δh (рис. 21) за счет объемного расширения воды при замерзании в замкнутой полости происходит увеличение объема и создается гидростатическое давление. Вода от промерзающих периферийных участков полости отжимается в талую зону к месту с наибольшей глубиной, где сопротивление деформации ледяного покрова меньше. Происходит выпучивание вверх ледяного покрова или слоя мерзлого грунта, и объем полости увеличивается. Величина элементарного увеличения объема полости определяется разностью между приращением объема от замерзания воды и объема от сжатия находящегося в полости воздуха.

Давление в полости бугра уравновешивается весом ледяного покрова и напряженным состоянием оболочки. Как только давление в полости становится выше упругой сопротивляемости ледяного покрова, происходит деформация купола бугра, увеличение объема полости и давление падает до равновесного.

Дальнейшее промерзание снова приводит к увеличению давления и деформации купола бугра. Этот цикличный процесс продолжается до тех пор, когда напряжения в оболочке бугра превысят предел прочности льда, и бугор с сильным треском разрывается. На его вершине проявляются широкая продольная трещина и обычно несколько небольших поперечных.

Будучи под давлением в полости бугра вода переохлаждается до температуры кристаллизации и находится в термодинамическом равновесии. Когда в оболочке бугра возникают трещины, давление падает и переохлажденная вода, выливаясь на поверхность или в полости бугра, быстро замерзает.

После разгрузки давление в полости бугра падает до атмосферного. Если в полости бугра остается много воды или водонасыщенного грунта и будет происходить дальнейшее промерзание, то цикл роста бугра повторяется. Но чаще повторные прорывы воды на поверхность бывают уже в других местах.

В этом процессе участвует не только вода под бугром, но и вся вода замкнутой полости. Радиус питания бугра может быть значительным. Это зависит не только от условий промерзания, но и от мерзлотно-гидрогеологического строения долины.

В долинах рек Северо-Востока широко распространены подрусловые и пойменные кондуктивно-инфильтрационные несквозные талики, которые формируются под влиянием тепла, приносимого русловыми и грунтовыми водами. Площадь таких таликов может далеко выходить за пределы прирусловой поймы, занимая всю пойменную часть долины. Благодаря неравномерному промерзанию общая площадь талика разделяется на отдельные замкнутые бассейны-камеры, в которых заключены статические запасы воды и водонасыщенного грунта.

Между бассейнами-камерами существует широкая сеть открытых и фильтрационных каналов, по которым гидростатическим давлением вода перегоняется из одной камеры в другую, если в последней происходит рост бугра и давление падает.

Рис. 21. Схема образования наледного бугра в замкнутой полости: 1 — ледяной покров (купол бугра) ; 2 — вода в замкнутой полости бугра; 3 — гравийно-галечниковый аллювий; 4 — водоупор; 5 — место смыкания слоя сезонного промерзания с водоупором; 6 — направление отжатия воды от промерзающих участков

Рост бугра зависит от глубины промерзания той части воды или грунта, которая оказалась в замкнутой полости. Приращение объема бугра от замерзания элементарного слоя толщиной Δh (рис. 21) будет для воды и грунта соответственно

Если в формулах (2) площадь ω_к заменить условным кругом с приведенным радиусом, то будет видно, что рост бугра пропорционален первой степени толщины слоя промерзания и квадрату радиуса площади промерзания. Следовательно, на объем бугра больше влияет площадь промерзания замкнутой полости.

С увеличением высоты бугра возрастает сопротивление деформации льда и грунта, а также растет удерживаемая гидростатическим давлением высота столба воды под бугром, поэтому рост бугра замедляется. Напорная вода находит другие слабые места в промерзающей кровле над замкнутой полостью и начинают расти другие бугры. Все они связаны между собой. Давление в них и их рост регулируются общей гидравлической системой замкнутой полости.

Питание наледных бугров, кроме поверхностных и надмерзлотных вод, может происходить подземными водами глубинных источников. Разгрузка этих вод осуществляется по узким межмерзлотным сквозным таликам. Подземные воды восходящим потоком внедряются в надмерзлотный поток и оказывают гидравлическое давление на слой сезонного промерзания. При промерзании выход подземных вод становится затруднительным или прекращается, поэтому их гидравлическое давление возрастает. Это давление суммируется с гидростатическим давлением от промерзания талика, и при определенном напряжении в оболочке происходит разрыв бугра. После разгрузки напор воды падает и мороз снова закрывает выход. Цикл повторяется. Наледные бугры с питанием подземными водами растут всю зиму. Некоторые из них не успевают растаять за лето и переходят на следующую зиму.

В наледных буграх может развиваться большое давление. Впервые измерение давления в бугре грунтовой наледи произведено В. Г. Петровым в 1930 г. в пос. Стрелка на Амуро-Якутской автогужевой магистрали. Здесь каждую зиму образовывалась большая грунтовая наледь с наледным бугром. Для определения давления в наледном бугре В. Г. Петровым был сконструирован и применен электрический прибор.

В основу конструкции прибора положены три известных свойства воды:
1) в жидком состоянии вода пропускает электрический ток, но в твердой фазе оказывается (практически) непроводником;
2 ) превращаясь в лед, вода расширяется;
3) при увеличении давления температура замерзания воды понижается.

Прибор состоял из четырех частей: резинового цилиндра, наполненного водой, в который помещены концы изолированных электрических проводов; металлического, герметически закрытого цилиндра, тоже наполненного водой и снабженного электрическими проводами; почвенного термометра, установленного в наледном бугре на одинаковой глубине с цилиндрами, и вольтметра с электрической батареей.

Резиновый и металлический цилиндры вместе с термометром осенью были установлены в земле и месте образования бугра на глубине 1 м. Кроме этого, для контроля второй резиновый цилиндр с термометром был установлен на глубине 2 м. Измерение давления производилось следующим образом. Вольтметр определял моменты замерзания воды в цилиндрах, а почвенный термометр показывал температуру этих замерзаний. Предполагалось, что в металлическом герметически закрытом цилиндре (свободном от давления в наледном бугре) вода замерзает при 0°С, а в резиновом — точка замерзания будет понижена в зависимости от давления грунтовых вод.

Результаты наблюдений подтвердили это. В металлическом цилиндре вода замерзла 7 ноября при температуре — 0,1 °С, при этом в резиновом цилиндре вода оставалась незамерзшей. 15 ноября замерзла вода в резиновом цилиндре на глубине 1 м при температуре — 0,5°С; на глубине 2 м в резиновом цилиндре вода замерзла 15 января при температуре тоже — 0,5°С.

По этим данным В. Г. Петровым был сделан расчет. С учетом понижения точки замерзания на 0,1°С из-за засоленности понижение температуры замерзания воды за счет давления в бугре составляет 0,4°С. Считая, что понижение замерзания на 0,01 °С соответствует давлению в 1,3 атм, он получил давление в полости наледного бугра, равное 52 атм.

Несмотря на несовершенство применявшихся приборов, опыт определения давления в наледных буграх, выполненный В. Г. Петровым в полевых условиях при суровом климате, является уникальным.

В связи с актуальностью вопроса о замерзании воды в замкнутых полостях для строительства на Крайнем Севере и Дальнем Востоке в 1974—1976 гг. во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидротехники им. Б. Е. Веденеева Е. Л. Разговоровой под руководством А. И. Пеховича проведены теоретические и экспериментальные исследования ледообразования в замкнутых полостях применительно к гидротехнике. В этой работе изучался ледотермический режим заполненных водой замкнутых полостей, в которых по мере образования льда повышается гидростатическое давление воды и понижается температура ее замерзания. При исследовании рассматривались замкнутые полости в виде шара, цилиндра и щели (горизонтальной полосы). Отвод тепла учитывался только сверху, а снизу и боков полостей тепловой поток принимался равным нулю. Рассматривался случай, когда оболочка полости абсолютно жесткая; увеличение объема при замерзании в полости воды компенсируется сжатием льда, воды и воздуха.

Решая уравнение постоянства объема полости при замерзании в ней воды под давлением с учетом сжатия льда, воды и воздуха, Е. Л. Разговорова получила следующую зависимость давления от объема образовавшегося в полости льда:

По формуле (3) составлен график изменения давления в полости в зависимости от образования льда и содержания воздуха (рис. 22). На графике видно, что при намерзании в полости льда давление быстро возрастает. Большое значение при этом имеет содержание воздуха, который сжимается в начале цикла и отодвигает начало быстрого нарастания давления.

Рис. 22. Расчетные кривые увеличения давления при ледообразовании в замкнутой, не изменяющейся в объеме полости К_л — отношение объема образовавшегося в полости льда к начальному объему полости; К_воз — процентное содержание в полости воздуха

Во ВНИИГ Е. Д. Разговоровой проводились опыты по замораживанию воды в герметической чисто ледяной оболочке, в стальной герметической оболочке и в стальной оболочке, в которой замыкающей частью служила ледяная крышка.

Опыты на образцах с ледяной оболочкой показали пульсирующий характер давления, что объясняется образованием трещин (рис. 23). В образцах этой серии кубической формы со сторонами 20 см максимальная величина давления достигала 0,5 МПа. Ледяные образцы разрушались взрывообразно, не промерзнув полностью. При замораживании воды из водопровода объем незамерзшей полости составлял 20—30% от начального объема. Образцы из дистиллированной и кипяченой воды промерзали полностью, не взрываясь и не образуя трещин. Это объясняется существенным влиянием на процесс взрыва сжатого воздуха, который при промерзании отжимается в водное ядро. Изучение текстуры показало, что незамерзшую полость окружают кольца льда чередующейся прозрачности толщиной 0,5-1,5 мм.

Рис. 23. Экспериментальные кривые изменения давления в ледяной оболочке при замерзании в ней воды (по данный Е. Д. Разговоровой)

При замораживании в металлических формах без крышки лед выпучивался из формы и растрескивался. Максимальное давление при этом получено 1,4 МПа пульсирующего характера с периодом пульсаций в 6—7 раз меньше, чем в образцах с ледяной оболочкой. Испытания образцов в герметической стальной оболочке показали давление 70 МПа с пульсацией ±0,5 Мпа.

В сравнении со стальной герметической оболочкой в наледных буграх давление должно быть значительно меньше. Приращение объема от замерзания в полости воды в наледных буграх компенсируется увеличением первоначального объема полости за счет пластических деформаций льда и роста бугра. Частично эта компенсация происходит также за счет сжатия находящегося в полости воздуха.

Иногда наледные бугры взрываются и большие глыбы льда или грунта разбрасываются в стороны. А. И. Пеховичем и Е. Л. Разговоровой выдвинута гипотеза, объясняющая причины взрывов. Нарушение герметичности оболочки и падение давления в замкнутой полости приводят к нарушению термодинамического равновесия и переохлаждению всего объема воды. Это вызывает бурную кристаллизацию, увеличение объема льда в полости и большое выделение энергии, что наряду с энергией сжатых газов и воды приводит к взрыву. В полости бугра всегда есть зародыши — центры кристаллизации (шуга), и достаточно сброса давления или другой причины для начала бурного процесса и взрыва.

Эта гипотеза не встречает возражений. Но необходимо обратить внимание, что огромное количество наледных бугров ежегодно возникает, растет, на них появляются трещины, а взрывы, как правило, не происходят; их зафиксировано очень мало.

По-видимому, для взрыва необходимо редкое сочетание нескольких факторов, среди них, по мнению автора, - большое скопление в замкнутой полости бугра газов и их сжатие нарастающим при промерзании давлением.