книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Глава 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

мерзает, образуя огромные плотины из монолитного льда, иногда многоме­ тровой высоты. При потеплении проиесс образования наледи прекращает­ ся, однако ледяные дамбы стаивают медленно, и вода, не имея возможности двигаться вниз, выходит из берегов.

Наледи бывают грунтовые и речные. Грунтовые наледи — наиболее яр­ кий представитель прерывистого распространения многолетней мерзлоты Они образуются зимой за счет грунтовых вод, выходящих из слоя между мно­ голетнемерзлым и сезонномерзлым горизонтами. Вытекающая вода при 30— 40°С быстро замерзает, образует бугристый панцирь льда, внутри которого нарастает давление, достигающее подчас десятков атмосфер. Грунтовые на­ леди часто образуются под толщей грунта. Они представляют собой бугор с ледяным ядром, не оттаивающим за короткое (1 мес.) полярное лето. Нале­ ди часто разрушают сооружения, построенные на их площади. Крупнейшие наледи — тарыны — достигают 30 км2 при толщине льда 10—12 м. Обшая площадь наледей составляет до 3—5% площади территории, длина некото­ рых наледей, протянувшихся вдоль рек, — до 100 км.

Речные наледи возникают в результате резкого сужения сечения реки из-за образования толстого льда. В 1932 г. на реке Зее речная наледь длиной 2,5 км и шириной более 100 м взорвалась с такой силой, что погиб находив­ шийся на ней караван из нескольких десятков людей.

Наледи развиты слабее в более холодных районах — из-за уменьшения объема грунтовых вод, в более теплых — из-за редкости возникновения ус­ ловий выдавливания грунтовых вод на поверхность. Взрываются наледи в основном ближе к весне, когда они достигают максимальных размеров. На реке Ергалак около Норильска при взрыве 7-километровой наледи бы­ ли выброшены глыбы льда по 2—3 т на расстояние до 30—40 м.

Подземные льды влияют на физико-механические свойства горных по­ род, особенно тех. которые рыхлы в талом виде. Зона многолетнемерзлых пород отвечает районам со среднегодовой температурой от 0 до —1,5°С. Здесь обычны пластично-мерзлые грунты с малой несущей способностью. Устойчивое состояние грунта отмечается лишь для районов, где температу­ ра от —1,5 до —3°С, так как здесь прерывистое распределение мерзлоты пе­ реходит в сплошное. Наиболее устойчивое состояние при температуре ниже —3°С. Во всех этих зонах главным опасным явлением оказывается разруше­ ние мерзлоты, ведущее к резкой активизации термоденудации и снижению несущих свойств грунта. Например, в 1980-х годах вследствие таяния мерз­ лоты и деформации фундамента были разрушены многие вспомогательные сооружения и возникла угроза для основных зданий Анадырской ТЭЦ. Ущерб составил около 60 млн руб. Сезонно промерзающие слои опасны пу­ чениями и перекосами. Такие мерзлотные деформации широко распростра­ нены и ежегодно повторяются, что делает их сильным угнетающим факто­ ром. Ущерб от них по России измеряется в миллиардах рублей.

391

Раздел //. Опасные природные процессы

Термокарст — процесс неравномерного проседания почв и подстилаю­ щих горных пород вследствие вытаивания подземного льда. В результате термокарста образуются западины, провалы, аласы.

Глинистые породы могут иметь суммарную потенциальную осадку до 6 м, пески — менее 0,5 м. Поэтому при строительстве инженерных соору­ жений нарушения напочвенного покрова и гидрологической составляю­ щей могут привести к активизации криогенных процессов: термокарста, кри­ огенного пучения грунтов, криогенного растрескивания. Особенно опасны торфяные залежи. Вследствие своей большой влагоемкости торф является носителем водных линз, которые при промерзании обеспечивают вспучива­ ние, а при оттаивании — просадку.

М орские и горные льды. Общий запас льда на планете, включая под­ земные льды, — 35 млн км3, Антарктида содержит 26,7 млн км3. Если лед распределить равномерно по поверхности континентов, то возник бы слой в 182 м. Если его растопить, то уровень Мирового океана поднялся бы на 66,3 м. В ледниковые эпохи уровень океана опускался на 110 м. Огромная роль принадлежала льдам в недавнем геологическом прошлом (например, последнее оледенение около 12 тыс. лет назад). Но и теперь они играют важную роль.

Несмотря на то, что плотность льда меньше плотности воды (поэтому он образуется и плавает на поверхности) он может возникать на разных глу­ бинах, в том числе и на дне — донный лед или якорный. Когда такой лед намерзает на лежащие на дне цепи, канаты, якоря, кабели и камни, они мо­ гут всплывать.

Выделяют 3 главных типа льдообразования. Рекристаллизациоиный тип — выпавшие массы льда при низких температурах уплотняются под действи­ ем собственного веса, медленно превращаясь сначала в фирн, а затем в лед. В таком льду содержится много воздуха, поэтому его цвет молочно-белый (плотность 0,75 г/см'). Такой лед встречается на снежниках гор. Инфильтращюиный лед образуется при частичном подтаивании снежно-фирновых масс в теплое время года. Теплая вода, просачиваясь в нижние горизонты, за­ мерзает там, заполняя все поры. Для этого типа характерен голубоватый цвет и несколько большая плотность — до 0,9 г/см3. Инфильтрационным льдом сложена большая часть ледников нашей планеты. Конжеляционный тип рож­ дается в толще воды. Вода из жидкой фазы переходит прямо в лед, кото­ рый состоит из отчетливо оформленных кристаллов и имеет голубой цвет. Плотность — 0,9 г/см3. Это морские и речные льды.

В наиболее холодные месяцы морские льды занимают акваторию до 16 млн км2 в Северном и до 20 млн км2 в Южном полушарии, летом же — 1/3 указанных территорий. Толшина сезонных льдов — до 2 м, многолет­ них — 3—6 м, торосов — 5—9 м в открытом море и до 20 м — у берегов.

Говоря о твердой фазе воды, нельзя не вспомнить о таких величествен­ ных явлениях, как айсберги, которые представляют собой огромные ледя­

392

Глава 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

ные горы, отколовшиеся от сползающих в океан материковых ледников. Откалывание ледяных гор происходит в результате действия приливов и отливов, а также штормов, когда вода то поднимает, то опускает концы ле­ дяных полей, имеющих толщину несколько сотен метров. Только в Гренлан­ дии ежегодно образуется 10—15 тыс. айсбергов. Встречаются айсберги дли­ ной 120 км, шириной 75 км и высотой до 450 м. Это целые плавучие гор­ ные сооружения. Обычно над водой возвышается 1/4—1/6 айсберга весом и 1/7—1/9 общей массы. Айсберги могут существовать до 3 и более лет и про­ плывать более 4000 км, даже до берегов Флориды. От столкновения с айс­ бергами ежегодно в XX в. погибало до 6 судов. В 1912 г. вблизи острова Ньюфаундленд затонул «Титаник» (более 1500 жертв). Айсберги могут выпа­ хивать отмели, повреждая трубопроводы, кабели, нефтяные вышки.

Сплошной ледяной покров в портах полностью сковывает движение на

акватории бухты, опасен для мелких судов, так как они могут быть повреж­ дены сжатием, и для водоплаваюших. Обычно возникает при резком паде­ нии температуры ниже 0° С.

Ранний ледовый покров (припай) влияет на снабжение труднодоступных районов, на работы на шельфе морей, а также на судоходство и окончание навигации.

Рекомендации: планировать завоз и разгрузку судов в зависимости от метеоусловий. Учитывать продолжительность ледостава в устьях рек. Не на­ правлять суда без ледовой обшивки, старой постройки в арктические воды.

О бледенение возникает при похолодании до температуры I—5°С и вет­ ре. Оно представляет огромную опасность для многих малых судов, работа­ ющих, как правило, у побережья. Уязвимы рыболовецкие суда, работающие в полярных районах. Обледенение затрудняет мореплавание, может вывести из строя радиолокационное оборудование. При этом снижается скорость и маневренность судна, повреждаются палубные надстройки. Это приводит к смещению центра тяжести судна. Увеличивается высота борта, что усили­ вает опасность опрокидывания судна. В отдельных случаях может возник­ нуть потеря остойчивости, внезапное опрокидывание и гибель судна.

Рекомендации: не планировать работу промыслового флота в сезоны и в районах с большой вероятностью обледенения. Выбрать наиболее благопри­ ятные сроки промысла. Запретить выход в море всех прогулочных средств и маломерных судов. Задержать выход судов из порта. Предупредить все суда о стихийном явлении. Судам срочно выйти из района опасности. Направить спасательные суда в опасный район при обледенении 4 т/ч.

Приготовиться к борьбе с обледенением. Произвести контроль правиль­ ности размещения груза. Уйти в теплую зону моря, укрыться в бухте, за ост­ ровами, мысами. Удалить лед с палуб и надстроек, в крайних случаях удалить груз с палубы. Принять меры по повышению остойчивости судна. Произве­ сти скалывание льда. Применить горячую воду для оттаивания льда.

Опасности, возникающие в связи с ледовыми явлениями: зажорные, заторные наводнения, дезорганизация судоходства и работы водозаборных

393

Раздел //. Опасные природные процессы

устройств, динамическое давление во время ледохода на опоры мостов, гид­ ротехнических сооружений (10—15 т/м2), усталость металлических конст­ рукций.

В Арктике из-за льдов в условиях сжатия проходит до 20—40% судоход­ ных трасс. В прибрежных акваториях сжатие составляет до 50 км ширины и лед может смешаться приливно-отливными движениями, для проводки судов требуются ледоколы (стоимость ледокола «Арктика» — 150 млн руб.), но и они не всегда могут проходить в условиях сжатия.

По мере увеличения мощности ледовая толща приобретает способ­ ность растекаться под действием собственного веса. В горных ледниках на­ пряжения действуют в течение длительного времени, поэтому существует движение ледников. Слабое движение льда начинается на склоне 45° при М — 1,5 м, а заметное — при 15,4 м. Для горизонтальной площадки — 62,5 и 625 м. Существуют быстрые подвижки льда до 200 м/сутки. Происходит это периодически почти с любым ледником, над ледниковыми пульсация­ ми. В обычных условиях нижние горизонты льда двигаются медленнее (в 5— 10 раз). Это движение называется послойно дифференцированным. Если оно не компенсирует напряжения, то возникают сколы, и блоки образуют надвиги и гляциодислокации.

Пагубные последствия горных ледников связаны с самим движением, или пульсацией, ледников, ибо они, как бульдозер, сметают все на своем пу­ ти при пульсационных подвижках. Кроме того, они создают плотины, пере­ гораживающие реки. В результате возникают огромные подпрудные озера, внезапный прорыв которых приводит к паводкам на реках и стимулирует об­ разование разрушительных грязекаменных потоков — селей. Так, на Памире подобная запруда на реке Абдукагор образовала озеро 20 млн м' и глубиной 100 м. Прорывы обычно вначале приурочены к внутриледниковым трешинам

споследующим образованием каналов стока. На Аляске в 1986 г. ледник Хаббард за 2 мес. прошел 1,5 км и перегородил бухту Дизенчантмент, уро­ вень воды в этой части поднялся на 10 м. От привычных условий были от­ резаны дельфины, палтус, лосось, угорь, они погибли из-за опреснения во­ ды. Особенно опасны ледники, которые соседствуют с действующими вул­ канами и в зонах землетрясений. В 1985 г. вулкан Руне (5398 м) в Колумбии ожил. Лава растопила вечные снега и льды на склонах. Селевые потоки хлы­ нули в долину Лагунилья. Несколько поселков было похоронено под слоем грязи. Погибло 22 тыс. человек. Только в пределах Северного Тянь-Шаня выявлено более 200 озер ледникового и моренного типа, из которых 40 крайне опасны. В зоне гляциальных селей Заилийского Алатау (Казахстан)

вобширных предгорных равнинах проживает 1,5 млн человек. Риск растет

сростом числа туристов, так как здесь отдыхают и в зимне-весенний пери­ од. В Исландии возникают ситуации, когда внутри ледника огромной мощ­ ности образуются озера за счет вулканического тепла. Эти озера весной способны прорываться и порождать неожиданные, сильные и губительные

394

Гшва 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

наводнения (йёкульлауп). При этом сбрасываются огромные объемы воды (до 6 км3 с ледникового поля Мирдальс, покрывающего вулкан Катла в Ис­ ландии). Для борьбы с прорывами воды в ледниках делались попытки взры­ вать ледники для создания русла разгрузки, но даже использование 500-ки- лограммовых бомб не было эффективным.

10 .2.2

Характеристики ледовых опасных явлений. Меры защиты

Характеристики зажорны х наводнений:

■ толщина (мощность) зажорных скоплений — до 10— 15 м;

■длина — до 25 км;

■сокращение площади сечения русла — до 80%;

■продолжительность — от нескольких дней до всей зимы;

•подъем воды — до 5 м (Северная Двина, Западная Двина, реки Алтая), до 6—7 м на Ангаре и Енисее, до 12 м на реке Нарын.

Вследствие зажоров на реках возникают сезонные наледи, которые со­ здают помехи на дорогах

Заторные наводнения характерны для рек, текущих в меридиональном

направлении к северу. Их вскрытие ото льда начинается с верховьев при за­ мерзших низовьях, поэтому происходит накат волн половодья из-за малой пропускной способности русел, скованных льдом.

Характеристики заторных наводнений:

•длина — 50—100 км (Лена);

•продолжительность — до 2 недель:

■подъем воды — до 20 м на Лене, до 10 м на Печоре, Западной и Се­ верной Двине, 35—40 м на Нижней Тунгуске.

ВСША от зимних наводнений ущерб составил 500 тыс. долл., а от за­ торов — 250 тыс. долл. В СССР — 2400 таких участков, расположенных на 1167 реках. Катастрофические заторы — на Оби, Енисее, Лене.

М еры защиты. При наводнениях, связанных с ледовыми явлениями,

основным является прогноз с учетом результатов многолетних наблюдений

ипоследующее оповещение населения. Если район является зоной повы­ шенного риска, то обязательно должны проводиться работы по возведению

иподдержанию в должном состоянии дамб и валов, по спрямлению, углуб­ лению и расширению опасных русловых участков. На всей протяженности таких рек ведется наземный и аэромониторинг с учетом погодных предупре­ ждений. При возникновении заторно-зажорных явлений проводятся взрыв­ ные работы по разрушению ледовых скоплений. Во время наводнения всту­ пают в действие спасательные службы.

395

Раздел IL Опасные природные процессы

При борьбе с заторными явлениями главное — регулировать сток ле­ дового материала. Для оперативной борьбы с заторами наиболее эффек­ тивным является взрывной способ, который целесообразно применять в момент образования затора.

Часто для предварительного ослабления ледового покрова производят взрывы за 10—15 дней до вскрытия реки. Основная цель — защита мостов. Глубина закладки заряда тем больше, чем толще лед.

Затор на широких реках разрушают путем дробления его постепенно снизу вверх по течению. Разрушение затора следует начинать с подрыва ле­ дяных полей ниже затора. Подрыв льда начинают вдоль берегов. Взрывы ве­ дутся против течения сериями. Ледяные поля раскалывают взрывами под­ водных зарядов.

Масса подводных зарядов и расстояние между ними приведены в табл. 10.2. и 10.3.

Т а б л и ц а 1 0 . 2

Условия и средства разрушения ледяного покрова взрыванием [Саулин В.И., 1997]

Ряды заложения зарядов располагают по поперечным створам, распо­ ложенным через каждые 0,5 Вр, где Вр — ширина русла.

Если затор не потерял устойчивости после разрушения ледяных полей, то следует произвести серии взрывов вдоль берегов либо на середине реки в пределах нижней наиболее уплотненной части затора. Если и после этого за­ тор останется на месте, следует произвести серии взрывов вдоль затора.

На узких и средних реках подрывать лед следует сверху вниз по течению или одновременно по длине затора. Для разрушения многослойных затор­ ных масс применяют заряды массой не менее 30 кг, которые спускаются в воду между льдинами.

При химическом способе разрушения льда понижают его температуру плавления путем распределения соли поверхности льда. Ориентировочный расход различных солей приведен в табл. 10.4.

396

Глава 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

В теплую погоду с устойчивой положительной среднесуточной темпе­ ратурой воздуха расход солей может быть снижен вдвое. В целом ориенти­ ровочно можно принимать расход солей в 7—10 раз меньше массы протаиваемого льда.

Т а б л и ц а 1 0 . 3

Примерная масса сосредоточенного подрывного заряда для разрушения затора [Саулин В.И.. 1997]

397

Раздел II. Опасные природные процессы

Иногда для разрушения ледяного покрова его посыпают молотым шла­ ком с добавлением соли. Посыпают лед за 15—25 дней до вскрытия (а точ­ нее, в момент устойчивого перехода дневной температуры воздуха через 0°С) продольными полосами шириной 5—10 м в местах будущих трещин, прежде всего у берегов. Нормы расхода зачерняющего материала — 1—3 т/ га. Одна­ ко желаемый эффект достигается лишь при солнечной погоде, в пасмур­ ную погоду этот способ дает незначительные результаты.

Бомбометание как средство разрушения ледового покрова и заторных масс льда малоэффективно вследствие трудности прицельного попадания. Также малоэффективно разрушение затора посредством артиллерийского обстрела.

При наличии ледокола и ледокольных средств на судоходных реках их применение для ликвидации заторов льда может оказаться эффективным При разрушении ледяных полей и самого тела затора ледоколы должны дви­ гаться снизу вверх по руслу реки и создавать зигзагообразный канал в теле за­ тора шириной не менее длины судна. Взламывание льда возможно в пределах судоходных глубин и толщины льда, не превышающей проходимость ледоко­ лов (характеристики речных ледоколов приведены в табл. 10.5). Для разруше­ ния ледяного покрова небольшой толщины (менее 1 м) могут применять­ ся суда на «воздушной подушке» (табл. 10.6).

Р103, мощ­ ностью 300 л.с.

398

Глава 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

399