Лекарство от температуры: новые подходы к строительству в Арктике в условиях меняющихся климатических условий

Вечная мерзлота не вечна

Строители не могут не считаться с существенным изменением механических и теплофизических свойств грунтов. Так, в западном секторе российской Арктики, согласно исследованиям Института криосферы Земли Тюменского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук (ИКЗ ТюмНЦ СО РАН), начиная с 70-х годов прошлого века, одновременно с повышением температуры воздуха среднегодовая температура ММГ повышается со средней скоростью около 2,4-2,8 градусов Цельсия каждые 50 лет. Вблизи южной границы мерзлоты, на отдельных участках южной тундры, уже началась деградация мерзлой толщи и опускание ее кровли.

Новые подходы к строительству на ММГ были предложены на организованном Международной ассоциацией фундаментостроителей (МАФ) международном строительном форуме «Арктика», который прошел в Москве с 5 по 7 октября. В отличие от мероприятий, проводимых МАФ в течение уже 10 лет, этот форум предполагал более широкое участие в нем представителей как научных, так и производственных организаций, что позволило обеспечить сочетание теоретических воззрений и практического опыта.

Взгляд под землю

В своем докладе «Деградация мерзлоты западного сектора российской Арктики в условиях меняющегося климата» главный научный сотрудник ИКЗ ТюмНЦ СО РАН, доктор геолого-минералогических наук Александр Васильев отметил важность проведения изысканий хорошего качества на проблемных участках, таких, как водосборные и озерные понижения. Отвечая на вопрос сотрудника одной из инжиниринговых компаний о том, что именно надо сделать для повышения качества инженерных изысканий, ученый пояснил, что хотел привлечь внимание прежде всего к льдистому подстилающему слою, который сейчас почти всегда игнорируется изыскателями. Между тем, наличие этого слоя сигнализирует о возможных неблагоприятных процессах — осадке грунта или наоборот — о его выпучивании. В связи с этим важно изменить привычное представление о том, что сразу под сезонно-талым слоем начинается мерзлота. На самом деле, с точки зрения физики, под сезонно-талым слоем находится переходный слой, а под ним уже собственно мерзлота. Переходный слой отличается очень высокой льдистостью и защищает нижележащую толщу. Александр Васильев считает, что когда этот защитный слой протает, начнется обвальная деградация мерзлоты.

Заместитель директора Института прикладной механики РАН (ИПРИМ РАН), кандидат технических наук Михаил Королев считает, что для решения стоящих перед строителями в Арктике масштабных задач надо как минимум создать комплексную эффективную систему мониторинга объектов в криолитозоне России. При этом нельзя ограничиваться одними лишь наблюдениями за изменением температуры массива и геодезическими наблюдения за осадками и смещениями сооружений, которые не позволяют составить полное представление о реальном состоянии объектов. Эти наблюдения не отвечают на многие вопросы, которые важны строителям, которым, по сути дела, не важно, насколько изменилась температура массива. Их интересует, насколько изменились несущая способность свай и механические характеристики грунтов при изменении температуры массива. Одних геодезических наблюдений недостаточно, потому что мерзлые грунты иногда не проявляют никаких осадок под действием нагрузок, а потом внезапно происходит резкая осадка грунта и срыв свай. Однако, по мнению Михаила Королева, в предложениях по организации мониторинга нет связки между температурными и геодезическими наблюдениями с геомеханикой. Ученый также призвал пересмотреть подход к инженерным изысканиям, которые сейчас ориентированы на стабильное состояние грунтов, а когда температура грунта меняется, то это создает большие сложности, в частности, при проведении геомеханических испытаний. Классические методы геомеханических испытаний ММГ не ориентированы на испытания при различных температурах. Они основаны на испытании образца в режиме контролируемой нагрузки, при котором она ступенчато увеличивается вплоть до разрушения образца. Эти испытания малоинформативны и требуют испытания нескольких образцов. ИПРИМ РАН уже 20 лет развивает другой подход, когда испытания проводятся не в режиме контролируемых нагрузок, а в режиме задаваемых деформаций. За это время создано много методик, которые позволяют получить необходимые параметры при испытании одного образца и при различных температурах. Однако для реализации этих методик необходимо оборудование, которое, в основном, производится за рубежом или с использованием иностранных комплектующих. Эти приборы довольно дорогие, и далеко не все организации в состоянии приобрести их в необходимом количестве. Поскольку недостатком имеющихся в распоряжении российских исследователей лабораторных приборов является то, что они не приспособлены для испытаний одного образца при различных температурах в ходе одного опыта, потому что помещаются целиком в климатическую камеру, в ИПРИМ РАН сейчас разрабатывается линейка оригинальных приборов, которые находятся снаружи климатической камеры, в которую помещается образец для испытаний, и благодаря этому не подвержены температурным деформациям. Но создать новые приборы недостаточно, надо решить еще и кадровую проблему, потому что на Севере остро не хватает специалистов с необходимой квалификацией для обслуживания этих приборов.

Холодильник для грунта

Ученые предложили не только форсировать на государственном уровне создание системы геотехнического мониторинга для раннего выявления потенциально опасных ситуаций в Арктике, но и адекватно реагировать на создавшуюся угрозу для ММГ в связи с потеплением климата. Они предложили перейти от широко представленных на форуме пассивных с энергетической точки зрения систем термостабилизации ММГ, которые представляют собой сезонные охлаждающие устройства, не гарантирующие сохранение грунта в мерзлом состоянии, к активным системам, использующим холодильные машины. Необходимость такого перехода связана с тем, что недостаточное охлаждение грунта с помощью не требующих энергоснабжения традиционно используемых сезонных охлаждающих устройств приводит к быстрому разрушению зданий и сооружений. В то же время, использующие холодильные машины активные системы очень дорогие в связи с необходимостью подвода электроэнергии. Поэтому до сих пор в мире отсутствовали экономически и энергетически эффективные технологии гарантированной термостабилизации грунтов.

Решение этой проблемы предложил старший научный сотрудник МГТУ имени Н. Э. Баумана, кандидат технических наук Егор Локтионов, выступивший на форуме с докладом «Возможности применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для термостабилизации грунтов». Согласно представленной им схеме, над защищаемым участком ММГ или рядом с ним расположены навесы со встроенными в них фотоэлектрическими или тепловыми преобразователями солнечного излучения. Преобразованная ими энергия используется для привода теплового насоса, грунтовые зонды которого расположены под защищаемой поверхностью на глубине 20-50 см и создают запирающий слой, препятствующий поступлению тепла вглубь грунта. Кроме того, поступление тепла в грунт уменьшают сами навесы, в которые вмонтированы преобразователи солнечного излучения. Навесы также препятствуют накоплению снега под ними, и тем самым способствуют лучшему промораживанию грунта.

Комментируя это техническое решение, Егор Локтионов подчеркнул, что для того, чтобы предотвратить растепление массива грунта, надо охлаждать приповерхностный слой, а не глубинный. Кроме того, желательно иметь систему с возможностью перераспределения мощности на тот участок, где произошла протечка, например, горячей воды. Докладчик назвал образующийся с помощью холодильной машины приповерхностный запирающий слой на глубинах 20-30 см, который препятствует проникновению тепла вглубь грунта, «теплым полом наоборот». Поскольку такой «теплый пол» состоит из петель, в каждой петле можно регулировать холодильную мощность. Важно, что стоимость укладки грунтового теплообменника с помощью, например, кабелеукладчика или насыпного грунта составляет порядка 2% от стоимости всей системы.

Год назад экспериментаторы проверили результаты своих расчетов на железнодорожной насыпи в Калужской области, где с помощью солнечных батарей они поддерживали искусственную вечную мерзлоту, а полученное тепло использовали для отопления дома. Затем на базе Архангельского университета построили прототип системы с отводом тепла в теплицу, а электрическую энергию использовали для увеличения светового потока. В результате урожай помидоров и огурцов превзошел урожай в соседней обычной теплице в 3-4 раза, что позволяет окупить систему термостабилизации ММГ в условиях Севера за год.

Владимир ПУТИН, президент РФ:

«Все программы, проекты в Арктике мы рассматриваем в тесной увязке с задачами сохранения биоразнообразия и арктических экосистем, а также с долгосрочной работой по решению задач климатической повестки. Это касается и научно-исследовательских программ, прежде всего направленных на обеспечение стабильного баланса между экономическим развитием и сбережением арктической природы. Здесь экосистема очень хрупкая, вы знаете об этом. Основой обеспечения такой стабильности в том числе является мониторинг вечной мерзлоты. Ее таяние может одинаково негативно отразиться и на экосистемах, и на объектах инфраструктуры в Арктике и на прилегающих территориях»