Особые условия: какими бывают города в вечной мерзлоте
Город в вечной мерзлоте — это всегда особые условия и много ограничений. Например, жители небольшого норвежского поселка Лонгйир на Шпицбергене обязаны уметь стрелять и носить винтовки на случай встречи с белым медведем.
Кроме того, тут запрещены традиционные захоронения. В условиях вечной мерзлоты тела не разлагаются и привлекают опасных хищников, так что покойников отправляют на большую землю. Также местные законы не разрешают держать кошек — опять же чтобы лишний раз не раздражать медведей.
Подземный лед
Вечная мерзлота, или криолитозона, — верхняя часть земной коры, которая имеет отрицательную температуру, в большинстве случаев содержит лед, замерзшую воду и различные газы.
Среднегодовая температура в Лонгйире составляет минус семь градусов, медицинская инфраструктура отсутствует, а жизнь проходит в борьбе с природой. Поселение выросло вокруг угольных рудников еще в начале XX века, и сейчас в Лонгйире проживают более 2 тыс. человек.
Как правило, иностранные города на севере — не очень большие. В России, напротив, есть много населенных городов, которые развиваются в зоне вечной мерзлоты. Например, Мурманск, Якутск или Воркута. Их население начало быстро расти в советские годы, когда возникали новые промышленные районы и активно строилась инфраструктура.
Среди крупных российских городов в вечной мерзлоте выделяются Дудинка (20 тыс. человек) и Норильск (более 170 тыс. человек). Дудинка — самый северный международный порт России, Норильск — крупный центр цветной металлургии. При этом Норильск входит в тройку самых комфортных российских городов, расположенных в суровом климате.
Слой сезонного оттаивания и сваи: как строить в вечной мерзлоте
Норильск и Таймыр, территория присутствия предприятий «Норникеля», целиком расположены в зоне вечной мерзлоты. Но условия здесь неоднородны: мерзлота распространяется на глубину до 500 м, некоторые участки заняты незамерзающей породой (так называемый талик), а среднегодовая температура пород варьируется от минус пяти до плюс семи градусов. «Все это накладывает отпечаток на условия строительства», — констатирует Гиорги Кунчулия, эксперт отдела адаптации научных исследований в области изменения климата «Норникеля».
Строительство в зоне вечной мерзлоты — одна из самых сложных инженерных задач. Может показаться, что верхняя граница мерзлоты стабильна и никогда не меняется, но на самом деле она очень динамична. Большая проблема для строителей — глобальное потепление и климатические изменения, вызывающие деградацию вечной мерзлоты и ее оттаивание. Минприроды сообщало, что 40% объектов инфраструктуры в зоне вечной мерзлоты в Арктике подвержено риску деградации. К 2050 году ущерб от деградации может достичь 5 трлн руб.
Устойчивость здания, построенного в вечной мерзлоте, зависит от фундамента и поддержания постоянного температурного режима. Ошибки при проектировании или неправильная эксплуатация могут ускорить процессы оттаивания грунта, и строение в итоге деформируется или даже разрушится. Например, первые временные здания в Норильске — деревянный цех электролиза никеля и жилые бараки — пришли в негодность очень быстро и разрушились уже в 1936–1937 годах, почти сразу после основания города.
В 1937-м специалисты «Норильскстроя» пришли к выводу, что в условиях вечной мерзлоты основным решением для возведения промышленных и гражданских сооружений является конструкция нижнего перекрытия с вентилируемым подпольем, а в качестве опор здания нужно использовать либо железобетонные колонны, либо деревянные сваи, которые закладывались в скважины.
Эта технология была несовершенной: грунт прогревали, он оттаивал, в скважину ставили сваю и потом долго ждали, пока мерзлота восстановится. В 1959 году инженер-гидротехник Михаил Ким решил проблему, предложив ставить дома в Норильске на сваях, скважины для которых бурили прямо в вечной мерзлоте. Без оттаивания фундамент приготавливали в несколько раз быстрее. Мерзлое состояние грунта сохраняется, и домам на сваях при правильной эксплуатации ничто не угрожает.
Почти весь Норильск построен именно по принципу сохранения мерзлого состояния грунта. «При этом имеется достаточно много способов строительства и обеспечения теплоизоляции. Например, строительство на сваях с вентилируемым подпольем, возведение зданий и сооружений на подсыпках с теплоизоляцией поверхности, устройство холодных первых этажей, использование сезонно-действующих охлаждающих устройств или термостабилизаторов. Большая часть зданий в Норильске построена на сваях с проветриваемым подпольем», — рассказывает Кунчулия.
Строить на российском Севере можно по-разному, и сохранение мерзлого состояния — не единственный вариант. Так, инженеры могут предусмотреть возможность оттаивания, можно также строить на скальных грунтах или даже на талых, как в Центральной России. Все зависит от природных условий района, которые тщательно изучаются перед началом строительства.
Для выбора правильного принципа строительства проводится целый комплекс инженерных изысканий и проектирования. «Сейчас в рамках программы реновации в Норильске идут проектно-изыскательские работы и начато строительство ряда социально значимых объектов», — отмечает Кунчулия.
Дороги, трубы и вечная мерзлота
- Замначальника управления научно-технических исследований, информационных технологий и хозяйственного обеспечения Росавтодора Сергей Гошовец рассказывал, что на нескольких трассах в зоне вечной мерзлоты — А-331 «Вилюй», Р-504 «Колыма», А-360 «Лена», Р-297 «Амур» — наблюдается ускорение процессов деформации.
- Например, в 2012-м на Р-297 «Амур» было зарегистрировано 313 дефектов покрытия. Несмотря на оперативные работы по их ликвидации, к 2015-му количество деформаций выросло до 504.
- «Изменчивость криолитозоны — самый сложный момент для дорожников», — подчеркивает директор Института мерзлотоведения имени Мельникова Сибирского отделения РАН Михаил Железняк. По его словам, для предотвращения деформации грунта дорожники в первую очередь стараются изолировать конструкции от воды и тепла: укладывают теплоизоляционный материал пеноплекс на основание земляного полотна, защищают откосы насыпей от солнца и осадков консольными навесами, устанавливают трубы, которые передают естественный атмосферный холод основанию дороги.
- В 2017 году в России ввели в эксплуатацию уникальный нефтепровод Заполярье — Пурпе — Самотлор. Большая часть участка Заполярье — Пурпе проложена над поверхностью земли. Для реализации проекта с нуля были разработаны специальные опоры, устанавливаемые на свайных основаниях: неподвижные, продольно-подвижные и свободно-подвижные. Благодаря новой технологии трубопровод может немного двигаться без деформаций. Опоры при этом снабжены термостабилизаторами грунтов, которые поддерживают естественную температуру почвы. Разработка российских специалистов защищена несколькими десятками международных патентов.
Для внедрения новых технологий строительства требуется серьезная исследовательская работа. «Норникель» совместно с Научно-исследовательским центром технологий строительства и мониторинга состояния зданий и сооружений Арктики ЗГУ имени Федоровского в 2023 году планирует создать два мерзлотных полигона.
По словам представителя компании, один из них будет использоваться для испытания строительных технологий на многолетнемерзлых грунтах и новых типов фундаментов, верификации геофизических методов; данные будут использованы для построения прогнозных моделей.
«Во всем мире создана система геотехнических полигонов с широким спектром геологических условий грунта для испытаний и проверки инновационных способов строительства. Однако в криолитозоне таких полигонов единицы. Норильск станет одним из первых регионов со своим полигоном», — комментирует Гиорги Кунчулия.
Скважины и датчики: как сохранить постройки
В течение ближайших трех лет в России запустят комплексную систему мониторинга вечной мерзлоты. Уже в 2023-м на российском Севере планируется установить 30 пилотных станций наблюдения. Всего же система будет включать в себя 140 станций. Она необходима для эффективной реализации стратегических планов по освоению Арктической зоны РФ.
«Таяние мерзлоты может внести существенные коррективы в деятельность субъектов и целых отраслей, создать риски для сохранения целостности инфраструктурных объектов, включая нефтяные скважины, трубопроводы и другие. Задача мониторинга — своевременно фиксировать текущие изменения, анализировать их и способствовать оперативному принятию соответствующих решений», — пояснял глава комитета Госдумы по экологии, природным ресурсам и охране окружающей среды Дмитрий Кобылкин.
Аналогичная система работала в СССР, но в 1990-е она фактически прекратила свое существование. Впрочем, в советский период число станций мониторинга было меньше, чем планируется построить сейчас, — около 20. Тогда исследователи занимались различными прикладными задачами. Например, под руководством авторитетных советских инженеров и мерзлотоведов, работавших на Воркутинской мерзлотной станции, — Владимира Яновского, Леонида Братцева, Владимира Кудрявцева — исследовались свойства вечномерзлотных грунтов для закладки угольных шахт, разрабатывались методики строительства жилых домов (были предложены способ возведения зданий на подсыпках и строительство зданий с проветриваемым подпольем), осуществлялись изыскания для прокладки первой в условиях вечной мерзлоты железной дороги Воркута — Котлас, проводились опыты по ведению сельского хозяйства в Заполярье.
Благодаря разработкам Воркутинской мерзлотной станции в СССР появился крупный стратегический промышленный район и большой заполярный город. Сейчас Воркута считается так называемым сжимающимся городом — за последние 30 лет численность населения снизилась со 116 тыс. до 54 тыс. человек. Новые здания в Воркуте сейчас не строят. Многие жители стараются продать свою недвижимость и уехать, из-за чего цены падают. Например, трехкомнатную квартиру здесь можно приобрести за 160 тыс. руб. Без новых станций мониторинга вечной мерзлоты ситуация вряд ли изменится: постройка новых домов и социальных объектов требует тщательного изучения грунтов.
Мерзлотный мониторинг занимает особое место и в деятельности «Норникеля». Центр мониторинга зданий и сооружений Заполярного филиала компании всегда следит за состоянием грунтов оснований построек. Мониторинг обеспечивает надежность эксплуатации объектов «Норникеля» и сохранность экологической обстановки.
Согласно российским нормам, наблюдать за температурой, если используется принцип сохранения мерзлого состояния грунта, нужно ежемесячно на этапе строительства объекта и не чаще двух раз в год на этапе эксплуатации. Но в «Норникеле» решили, что этого недостаточно. Поэтому компания запустила программу автоматизированного мониторинга.
Реализация программы
Первый этап. Масштабные исследования состава и свойств грунтов. Восстановление сети наблюдательных термометрических скважин в регионе.
Второй этап. Комплексное обследование фундаментов и конструкций. Выявление дефектов и отклонений. Разработка программ геотехнического мониторинга.
Третий этап. Оснащение объектов компании различными датчиками и приборами, среди которых термометрические косы (для измерения температуры грунта в основании зданий), термогигрометры (для оперативного контроля температуры и влажности в технических пространствах под сооружениями), инклинометры (контроль пространственного отклонения конструкций).
Четвертый этап. Внедрение централизованной системы сбора, передачи, хранения, обработки и анализа данных.
Пятый этап. Апробирование технологии дистанционного зондирования для качественной оценки величины вертикальных смещений. Изменение подходов к проектированию и строительству: все новые объекты обязательно автоматизируются и включаются в информационно-диагностическую систему.
Результаты: «Норникель» обеспечил сквозной автоматизированный контроль параметров, связанных с надежностью зданий в Арктической зоне, внедрил цифровые технологии в систему управления и митигации рисков эксплуатации сооружений, перешел на электронный документооборот при проведении геотехнического мониторинга, изменил модель управления жизненным циклом объектов и повысил скорость принятия взвешенных управленческих решений.
Кроме решения производственных задач, «Норникель» занимается и научными проектами. К примеру, второй совместный полигон компании и ЗГУ имени Федоровского расположится на ненарушенной (природной) территории для отработки методик проведения фонового мониторинга.
Также в 2022 году в рамках реализации госпрограммы фонового мониторинга мерзлоты Заполярный филиал компании начал бурить глубокие 200-метровые скважины. Была восстановлена скважина в центре Норильска, созданная еще в 1960-х, а также пробурены еще четыре скважины в населенных пунктах Талнах, Кайеркан, Оганер и в Дудинке.
«Наши действия позволят оценить влияние техногенных и климатических факторов на мерзлоту за последние 60 лет и разработать экономически обоснованные адаптационные мероприятия», — заключает Гиорги Кунчулия.