Инженерно-геологическое обследование переходов через водотоки с наледями

Геологические данные при обследовании наледей необходимы для анализа общей геологической обстановки и тектонических условий местности как основы, определяющей закономерности водообмена в толще земной коры и на ее поверхности. В районе будущей трассы важно знать типы региональных и местных тектонических структур, возраст и состав горных пород, границы их распространения, особенности залегания, строения и связь с водопроявлениями; особенности формирования и распространения рыхлых четвертичных отложений, процессов древнего и современного оледенения, живой тектоники.

Работы по специальному инженерно-геологическому обследованию водотоков с наледями выполняются в общем комплексе работ по изысканиям трассы дороги в два этапа: для составления технического проекта и составления рабочих чертежей.

1. Обследование для составления технического проекта. Работы по обследованию наледных участков для составления технического проекта разделяются на три периода: подготовительный, полевой и камеральный.

В подготовительный период, перед выездом в поле, по литературным данным и фондовым материалам изучаются геология, геоморфология, геокриология, гидрогеология, гидрология, климат и другие особенности будущей трассы. По климатологическим справочникам собираются сведения о температуре воздуха, жидких осадках, толщине снежного покрова, характеристике ветров, сезонном промерзании и оттаивании грунтов. Производятся аэровизуальное обследование и аэрофотосъемки района трассы с вертолета или самолета.

Это целесообразно делать перед выездом на основные полевые работы в апреле — начале мая, после схода снежного покрова, когда наледи хорошо видны и могут быть определены визуально и по аэрофотоснимкам. На основе собранных сведений в подготовительный период составляются программа и график работ по обследованию наледных участков при технических изысканиях.

При аэровизуальном обследовании трассы удается зафиксировать только природные наледи, которые образовались в год изысканий. Кроме них на трассе всегда есть водотоки, где природные наледи образуются в более суровые зимы, а также водотоки, на которых в естественных природных условиях наледей не бывает, но они могут образоваться после постройки дорожных сооружений (прогнозируемые наледи).

В период технических изысканий производится инженерно-геологическое обследование всех водотоков как с природными, так и прогнозируемыми наледями. В теплое время года выполняются основные трудоемкие работы: топографическая съемка, буровые, разведочные, геофизические, гидрометрические работы, исследования грунтовых вод, опытные полевые и лабораторные работы. На участках с природными и прогнозируемыми наледями, а также на всех пересекаемых трассой поверхностных водотоках и источниках подземных вод осуществляются топографическая и инженерно-геологическая съемки в масштабе 1:1000-1:5000.

Съемкой охватывают всю площадь наледи и места выхода источников подземных вод, питающих наледь с прилегающими участками местности по 100—300 м. Если источник, питающий наледь, находится на значительном расстоянии (более 1 км) дополнительно выполняется маршрутная съемка до головки источника. На участках с прогнозируемыми наледями съемка производится на расстоянии 500-600 м вверх по водотоку и 300 м вниз.

Материалы летних обследований могут не дать всех необходимых данных для прогноза наледных процессов, так как последние развиваются в холодное время года. В связи с этим после технических изысканий необходимо осуществлять трехразовые маршрутные обследования и наблюдения на участках с природными и прогнозируемыми наледями в холодное время года.

Первые обследования и наблюдения следует выполнять осенью (в октябре-ноябре) с наступлением холодов и появлением кромки льда, когда малые водотоки при отсутствии ледового и снежного покровов, испытывают максимальное охлаждение.

Второе обследование проводится к декабре-январе, когда окончательно формируются и заканчивают свое развитие наледи временных поверхностных водотоков и надмерзлотных вод.

Третье обследование необходимо производить в период максимального развития крупных наледей — в марте-апреле.

Первое и второе маршрутные обследования проводятся на всех пересекаемых трассой поверхностных водотоках и источниках подземных вод, третье, весеннее обследование — только на тех водотоках, на которых наледный процесс ко времени второго обследования не завершился. Чтобы полнее выявить особенности развития наледных процессов трехразовые осенне-зимние обследования целесообразно выполнять ежегодно до составления рабочих чертежей или в течение трех лет.

В период ежегодных трехразовых обследований на больших и опасных наледях целесообразно организовать наблюдения за ледотермическим режимом водотоков и источников. Для этого устанавливается сеть ледомерных вех и организуются гидрометрические и термометрические посты. Наблюдения могут производиться ежемесячно или в характерные периоды наледеобразевания.

При обследовании поверхностных водотоков с природными и прогнозируемыми наледями в период технических изысканий, кроме топографической и инженерно-геологической съемок, выполняются следующие работы:

1. Тщательное обследование и описание морфологии русла водотока, характерных его участков (перекатов, плесов и др.), пойм, террас, склонов долины, растительности, микрорельефа, заболоченности, а также выявление источников питания водотока и мест образования наледей, времени и характера развития последних.

2. Разбивка створов в характерных сечениях водотока (по оси перехода, на перекатах, плесах), промеры глубин и вычерчивание поперечных профилей, определение уклона русла на участке 500 м вверх и вниз от оси трассы, определение расхода водотока на переходе, в верхнем и нижнем концах наледи; определение скорости течения и замеры температуры воды водотока.

3. Установление литологического состава и водоносности горных пород, слагающих дно и поймы водотока, их изменчивости по водотоку, мощности и состава фильтрующего аллювия, глубины залеганиями очертания поверхности многолетней мерзлоты или другого водоупора под руслом и поймами по оси перехода и на стесненном участке, ширины и мощности фильтрационной зоны.

4. Наблюдения за образованием ледового покрова, внутриводного и донного льда, возникновением и развитием наледей, описание и фотографирование очагов их образования, описание полыней и определение их связи с субаквальными источниками подземных вод. Данные наблюдений за ледотермическим режимом заносятся в журнал обследования водотоков с наледями.

5. Определение генетического типа наледи, ее местонахождения, начала и конца образования, формы и размеров, направления роста и привязка к трассе дороги.} характеристики поверхности наледного льда, его структуры и текстуры, цвета, воздушных полостей, трещин, их ориентировки и времени образования, фотографирование в характерных местах водотоков и наледей.

6. Описание наледных бугров, их формы, размеров, расположения, ориентировки трещин, воздушных полостей: определение времени и последовательности образования, фотографирование бугров и составление эскизов.

7. Определение мощности снежного покрова на льду русла, поймах и склонах, открытых местах и покрытых лесом или кустарником; характеристики ветров, их скорости и направления, температуры наружного воздуха в период наблюдений.

8. Определение по оси перехода и на стесненном участке (перекатах) осеннего уровня воды в русле и грунтовых вод на поймах, глубины сезонного промерзания грунта, характеристики стесненного участка.

9. Определение причины образования наледи и ее возможного вредного влияния на искусственное сооружение.

При обследовании наледей поверхностных водотоков в периоды их развития зимой участки наледеобразования определяются без труда по цвету и наплывам наледного льда и парению наледеобразующей водь. Если же наледный процесс прекратился и наледный участок покрыт снегом, найти его иногда бывает затруднительно. В этом случае используются косвенные признаки: выступающие на снежной равнине наледные бугры пучения, значительное уменьшение на наледном участке толщины снежного покрова, большие трещины в ледяном покрове, лед-сушенец и др. После весеннего паводка наледные участки можно определить по нависающим на берегах остаткам ледяных массивов, имеющих слоистую структуру.

Часто на участках у берегов одновременно с поверхностными водами на льду могут намерзать грунтовые воды, выходящие из береговых отложений. Наледный лед, образованный грунтовыми водами, легко отличить по бурому или коричневому оттенку, который грунтовые воды получают при фильтрации через различные породы.

Наледи поверхностных вод во второй половине зимы легко спутать с наледями, которые питаются водами подрусловых таликов или более глубоких горизонтов. Чтобы определить, какими водами питается наледь, надо убедиться, существует ли поверхностный сток на перекатах и на других участках реки, на какую глубину промерзли водоносные грунты на поймах и склонах долины.

При выявлении участков наледеобразования необходимо иметь в виду, что выход наледеобразующих вод на поверхность может происходить в нескольких местах по длине реки, отдельные наледные поля могут сливаться друг с другом, образуя наледи длиной в несколько километров.

При обследовании подземных вод определяются:
1. Местонахождение и тип подземных источников (родников) , их приуроченность к определенным водоносным комплексам, характер излива воды (спокойное истечение, грифоны, количество головок, их рассредоточенность и пр.), глубина и диаметр водовыводящих воронок, наличие сухих воронок, условия возможной миграции источников по наличию сухих воронок и русел стока; привязка источников к трассе дороги и верхней границе наледи. Субаквальные источники выявляются зимой> после прекращения поверхностного стока.

2. Морфологические особенности участка с источниками подземных вод: русло реки, пойма, терраса или склон долины, оврага, балки, абсолютная отметка, относительная отметка над меженным уровнем ближайшего водотока, экспозиция склона, растительность у источника, особенности местонахождения источников.

3. Литологический состав, условия залегания, степень выветрелости и трещиноватости пород, из которых поступает вода, питающая наледь; граница распространения многолетнемерзлых пород и расположение (контур) водовыводящего талика, наличие естественных обнажений или вскрываемых шурфами подземного льда, его мощность и цвет.

4. Вид подземных вод: грунтовые воды современных и древних аллювиальных образований, артезианские, карстовые, воды тектонических разломов, многолетних и сезонных замкнутых таликов, подрусловые воды, надмерзлотные, подмерзлотные, межмерзлотные.

5. Режим подземных вод: постоянство действия источников, их дебит, ледотермический режим, мощность фильтрационного пласта, его уклон, состав фильтрующих пород и их коэффициент фильтрации, уровень грунтовых вод перед ледоставом и зимой, кривая спада расхода, глубина появления воды при проходке скважин и ее напор, взаимосвязь между водоносным горизонтом и рекой. Измерение дебита и температуры воды производится по декадам или ежемесячно с октября по май с Одновременным измерением температуры воздуха. Для субаквальных источников определяется начало излива воды непосредственно на поверхность.

6. Физические свойства подземной воды (цвет, вкус, запах, прозрачность, наличие пузырьков газа); ее химический состав. При наличии в месте выхода источника твердого осадка последний берется в количестве 100—200 г. для химического анализа.

По данным технических изысканий составляется отчет, к которому прилагается: кадастр водотоков и источников подземных вод с природными и прогнозируемыми наледями; планы наледных участков с мерзлотно-геологическими разрезами; паспорта наледных участков с графиками наблюдений, фотографиями, эскизами и полевыми дневниками; материалы маршрутных обследований; материалы режимных наблюдений, опытных и лабораторных работ.

В качестве примера инженерно-геологического обследования на рис. 44 показаны план и мерзлотно-геологический разрез наледного участка №17 на трассе проектируемой дороги в Восточной Сибири. Наледь подземных вод образуется выше трассы дороги в ложбине второй надпойменной террассы и стекает в протоку реки. Источник ее питания расположен выше на склоне, на расстоянии 20 м от оси трассы. На наледном участке коренные породы, представленные гнейсами, пробиты дайкой габбро; в зоне тектонического контакта гнейсы раздроблены до состояния разборной скалы. Коренные породы перекрыты аллювиальными отложениями террасы, состоящими из гравия и гальки с песчаным заполнителем. Сверху аллювий покрыт слоем песка толщиной от 2 до 6 м.

Рис. 44. Наледный участок №17 на трассе проектируемой дороге в Восточной Сибири: a - план наледного участка; 1 — геологический разрез по линии 1-1; 2 — линия электропрофилирования и номер ее точки; 3 — точка вертикального электрозондирования и ее номер; 4 — шурфы и их номера; 5 — скважины и их номера; 6 - границы разведанного талика; 7 - бровка обрыва, сложенного рыхлыми отложениями; 8 — наледь; 9 - наледный бугор; 10 — источник подземных вод; б — мерзлотно-геологический разрез по линии 1-1; 1 — гнейс; 2 — габбро; 3 — зона раздробленных коренных пород; 4 — супесь; 5— песок с гравием; 6 — песок

Толща коренных породи грунтов находится в вечномерзлом состоянии. Электропрофилированием и разведочным бурением установлено, что в зоне раздробленных гнейсов имеется сквозной талик (рис.44, 6) , по которому напорные подмерзлотные воды выходят на поверхность и зимой образуют наледь. Дебит источника летом и зимой примерно постоянный и равен 5,6 л/с. Температура воды +0,4°С. По химическому составу вода относится к ультрапресным.

Образование наледи начинается в октябре и продолжается в течение всего морозного периода до апреля месяца. Площадь наледи достигает 41 600 м² а объем 28 000 м³. Максимальная мощность наледного льда в отдельных местах бывает 2 м.

Наледь представляет большую опасность для дороги, так как может закупоривать отверстие намечаемой по проекту в этом месте трубы и выходить на земляное полотно дороги.