Вечная мерзлота — враг или союзник?

Осваивая территории, занятые вечной мерзлотой, человек сталкивается с огромными трудностями. Венная мерзлота еще далеко не изучена, многие ее проявления неожиданны и непонятны.

Пространства, занятые вечной мерзлотой, — это кладовая разнообразных природных ресурсов. Здесь сосредоточены многие месторождения газа, нефти, угля, алмазов, золота, никеля, меди, олова, минеральных удобрений. Северные районы богаты ресурсами пресной воды, леса. Огромно экологическое значение северных территорий с их неповторимой природой, незагрязненной хозяйственной деятельностью человека.

Вечная мерзлота — главная и характернейшая особенность природы Севера. Поэтому без преувеличения можно сказать, что для рационального освоения природных ресурсов области вечной мерзлоты нужно хорошо знать свойства мерзлых толщ и возможности их использования. Освоение территорий всегда связано со строительством. Современные строители получили в наследство от предшественников, убедившихся в ее коварстве, не один печальный пример из опыта. Две неприятности ожидают строителей в зоне вечной мерзлоты. Первая — это просадка при оттаивании мерзлых, насыщенных льдом оснований под фундаментами зданий, насыпями железных и шоссейных дорог, покрытиями аэродромов. Вторая — это выпучивание свай, фундаментов, опор мостов, оснований линий электропередач и т. д. Особенно опасны для сооружений неравномерные осадки и пучение мерзлого основания. Легко представить себе, каковы бывают убытки от деформаций и разрушений домов и промышленных сооружений. Основная причина разрушений — нестабильность свойств мерзлой толщи. Прочность и устойчивость мерзлых грунтов зависят от температуры и состава льда. Знакомые всем рыхлый влажный песок и пластичная глина при замерзании цементируются льдом и становятся крепкими, как скала. Они выдерживают большие нагрузки и служат надежным основанием для различных фундаментов, но при условии, что температура мерзлого песка не выше —5°С, а мерзлой глины — 7 — 8°С. При температурах более высоких, близких к 0°, мерзлые фунты становятся пластичными и не выдерживают тяжести сооружений. Это объясняется тем, что в мерзлых глинах, суглинках и песках в небольшом количестве присутствует незамерзшая вода. Она сохраняется в мерзлых фунтах даже при очень низких отрицательных температурах благодаря молекулярным силам минеральных частиц фунта. С понижением температуры содержание незамерзшей воды быстро уменьшается.

Строить на вечной мерзлоте сложно еще потому, что ее свойства, в первую очередь температура и механические характеристики, теснейшим образом связаны с природной средой. Достаточно уплотнить или удалить снег зимой, снять растительный покров или осушить территорию, как свойства вечной мерзлоты начинают кардинально меняться. Сооружения будут устойчивыми, если сохранять стабильность вечной мерзлоты и по возможности не тревожить ее. Как этого достичь, особенно под зданиями, выделяющими тепло?

Если заглянуть в историю, то можно обнаружить, что еще в конце 20-х гг. XX столетия мерзлотоведы предложили строителям устраивать между фундаментом здания и его вечномерзлым основанием воздушную теплоизоляцию. Конструкция здания предусматривает устройство проветриваемого в зимнее время подполья с естественной вентиляцией. Летом отверстия подполья закрывают, чтобы теплый воздух не проникал под здание и не отеплял фунты основания здания. Пол здания должен быть хорошо изолирован и утеплен, чтобы обеспечить комфортные условия внутри здания. Лучше всего для этого подходят свайные фундаменты. Сваи помещают в пробуренные скважины, и они вмораживаются в вечную мерзлоту с таким расчетом, чтобы силы смерзания сваи с вечной мерзлотой были намного больше сил выпучивания, действующих на сваю в слое сезонного оттаивания.

Первым промышленным сооружением на сваях стало здание Якутской тепловой электростанции. Прошло более 50 лет эксплуатации станции, а она совершенно не деформировалась. На свайных фундаментах в области вечной мерзлоты построено большинство современных многоэтажных зданий в Воркуте, Норильске, Мирном, Якутске. Дома как бы стоят на ножках. Жилые здания имеют все необходимые для нормальной жизни условия: центральное отопление, горячую и холодную воду, канализацию и т. д. В последние годы конструкции свай на вечной мерзлоте были улучшены. Несущие сваи стали делать холодными: в них помещают охлаждающие устройства — термосифоны, наполненные незамерзающим хладагентом (керосином, фреоном, аммиаком). Зимой вследствие естественной циркуляции хладагента вечная мерзлота еще сильнее охлаждается, что увеличивает силы смерзания и повышает несущую способность свайного основания. Свайные фундаменты — наглядный пример того, как вечная мерзлота может служить человеку. Применение таких фундаментов позволяет экономить строительные материалы, столь дефицитные и дорогие в отдаленных, малоосвоенных районах.

Термосифоны в виде металлических замкнутых труб используются также для укрепления оснований опор магистральных линий электропередач. Широко применяются термосифоны и в гидротехническом строительстве, чтобы создать водонепроницаемый мерзлый экран в земляных насыпных плотинах и дамбах. Уже много лет работает Вилюйская ГЭС, снабжающая электроэнергией предприятия по добыче алмазов. Эксплуатируется Хантайская ГЭС, дающая энергию крупным центрам горнодобывающей промышленности — Норильску и Талнах. Мерзлотоведы разработали целую систему способов, обеспечивающих устойчивость и надежную работу сооружений разных типов зданий, трубопроводов, дорог, насыпей, каналов и т. д. Но как показала практика, в каждом конкретном случае необходимы специалисты-мерзлотоведы, ведущие научные исследования.

Масштабы освоения территорий вечной мерзлоты грандиозны. Достаточно назвать Байкало-Амурскую магистраль, Западно-Сибирский газонефтяной комплекс, тысячекилометровые газопроводы. Научное обоснование этих грандиозных индустриальных объектов потребовало колоссального объема мерзлотных изысканий, поскольку строителей надо обеспечить детальной технической информацией о вечной мерзлоте на огромных территориях. Необходимо выявить также особенно неблагоприятные для сооружений районы, где вечная мерзлота насыщена льдом, а температура может меняться на протяжении десятков метров. Но проблема заключается не столько в необычности свойств собственно мерзлых толщ, сколько в исключительной изменчивости вечной мерзлоты в пространстве.

Даже в самых суровых климатических условиях вечная мерзлота — не однородное природное тело. Она состоит из отдельных массивов, разделенных островами талых фунтов, имеющих сложные, прихотливые очертания.

По характеру растительности, почв, рельефа ученые-мерзлотоведы определяют температуру, условия залегания, льдонасыщенность мерзлых толщ. Это позволяет в короткие сроки выбрать оптимальное место для размещения комплекса сооружении. Этот метод ландшафтно-мерзлотной оценки громадных территорий севера Западной Сибири позволяет экономить значительные финансовые средства за счет сокращения дорогих геофизических и буровых работ. В основе метода ландшафтно-мерзлотной оценки лежит высокая чувствительность вечной мерзлоты: ее реакция на изменения климата, растительности, гидрологического режима почти мгновенна. Мерзлые толщи существуют только в связи с отдельными элементами природной среды и с их ландшафтами в целом. Информация о ландшафтной структуре — это основа всех проектов освоения территории вечной мерзлоты и охраны природной среды Севера. Только понимание, что вечная мерзлота — решающий фактор стабильности естественных ландшафтов, позволило разработать и применить на практике средства защиты ландшафтов при прокладке газопроводов.

Ранимость северной природы зависит от нестабильности мерзлоты и неустойчивости тонкого слоя почв и растительности. За мерзлотой надо постоянно следить, она очень чувствительна к воздействию людей, и нужно жестко соблюдать правила эксплуатации сооружений. Для этого в ряде пунктов уже несколько десятилетий действуют мерзлотные стационары. Система мониторинга включает контроль за эксплуатацией зданий и сооружений, для чего созданы специальные лаборатории и стационары во всех городах, крупных поселках и на промышленных объектах — газопроводах, гидростанциях, шахтах. «Вечная мерзлота — враг или союзник, бороться с ней или охранять?» — этот вопрос часто задают мерзлотоведам люди, не знакомые с этим явлением природы. Но такое противопоставление вряд ли правомерно. Для высоких широт пашей планеты вечная мерзлота — это такое же естественное явление природы, как пески пустыни, безводные степи или непроходимые джунгли.

Понятие о полезности и неполезности свойств вечной мерзлоты меняется во времени, зависит от конкретных условий — района, его ресурсов и их ценности, от намерений человека, уровня техники и, самое главное, уровня знаний о сущности явления. Легендам о коварстве вечной мерзлоты приходит конец. Во многих случаях мерзлота стала добрым помощником, союзником человека и верно ему служит. Со своей стороны человек должен относиться к территориям, занятым вечной мерзлотой, как к уникальному наследству, которое нужно использовать бережно и разумно.