Город изо льда

В ХХ веке человечество, активно осваивающее природные ресурсы, добралось до Арктики, и на многолетней мерзлоте начали возникать города. Но оказалось, что дома и дороги, возведенные традиционными способами, в таких условиях долго не живут: даже там, где бывает смертельно холодно, грунт имеет свойство оттаивать. Вместе с научно-просветительской платформой Homo Science рассказываем, как построить здание на многолетней мерзлоте и чем самым северным городам угрожает глобальное потепление.

Лед под ногами

В науке многолетней мерзлотой традиционно называют любые породы, температура которых не поднимается выше нуля градусов Цельсия как минимум два года. По строительным нормам грунт считается многолетнемерзлым, если остается замороженным больше трех лет. При этом каждое лето верхняя часть толщи мерзлоты оттаивает на глубину от десятков сантиметров до нескольких метров — этот слой называют сезонно-талым (СТС), или деятельным (от англ. active layer).

В мире многолетняя мерзлота занимает до 25 процентов суши, а в России — порядка 60 процентов. Мерзлоту принято делить на сплошную (где многолетнемерзлые грунты занимают более 90 процентов территории), прерывистую (где мерзлота занимает 50-90 процентов территории, и внутри нее попадаются острова талого грунта), островную (мерзлота занимает 10-50 процентов территории в виде мерзлых островов внутри талого грунта) и редкоостровную (мерзлота занимает менее 10 процентов территории). В России на сплошную многолетнюю мерзлоту приходится семь миллионов квадратных километров, преимущественно в полярных областях и Восточной Сибири.

Большая часть многолетней мерзлоты на территории нашей страны пребывает в мерзлом состоянии значительно дольше, чем два или три года: она начала формироваться более двух миллионов лет назад. Российская мерзлота с запада на восток в целом «взрослеет», а вместе с этим растет и глубина ее залегания: на юге Красноярского края слой вечно стылой земли — это первые несколько метров, а в верховьях якутской реки Вилюй он уже больше километра.

До середины XX века на российской мерзлоте не было ни одного промышленного объекта, а жилые поселения возводились традиционными способами. Примером этого могут послужить ураса у якутов (стационарные шалаши с основанием из вкопанных в землю деревянных столбов) или юрты у бурятов — переносные каркасные жилища. При возникновении проблем с грунтом (например, просадок из-за таяния или солифлюкции — стекания вязкого переувлажненного грунта по поверхности многолетней мерзлоты, которое может наблюдаться даже при небольших углах наклона) такие жилища было несложно перенести на новое место или перестроить.

Даже Якутск, основанный в 1632 году, стал активно развиваться только в начале XX века. Его строители не использовали особенных технологий: дома были деревянными и малоэтажными, и если через несколько лет после их возведения появлялись проблемы, преимущественно просадки из-за таяния мерзлого грунта, то такие здания можно было буквально разобрать и перенести в другое место.

А вот современные здания из стекла и бетона перенести с одного места на другое совсем не так просто. Строители городов, располагающихся в зонах распространения мерзлоты, вынуждены учитывать ее особенности.

(Не)надежный грунт

В контексте строительства область распространения многолетнемерзлых пород можно разделить на три зоны. Самые предсказуемые и стабильные условия можно найти в первой зоне (Норильск, Воркута) — здесь самые низкие температуры и сильное промерзание грунта. Вторая зона (Якутск, Мирный) уже более сложная: грунт в резко континентальном климате может протаивать на большую глубину. Третья зона (Чита, Магадан) включает как многолетнемерзлые грунты, так и обычные с положительными температурами, а незамерзающие участки в их толще (островные талики) меняют свое расположение и конфигурацию, то есть условия для строительства здесь самые сложные и чаще меняются.

Мерзлоту под зданиями либо сохраняют (принцип I), либо растапливают (принцип II).

Принцип I применяют, если расчеты показывают, что при оттаивании грунта основание постройки деформируется в такой степени, что его не удастся привести в нормальное состояние улучшением строительных свойств и прочими мерами. Он предполагает сохранение грунта в мерзлом состоянии как в ходе строительства, так и на всем протяжении эксплуатации.

Принцип II сводится к намеренному растоплению толщи мерзлоты, перед тем как на ней строить. Для этого в определенном смысле должно повезти либо с количеством мерзлоты, либо с ее качеством. Первый случай — это когда слой мерзлоты невелик (менее 10 метров), а под ней залегает скальный грунт. Тогда мерзлоту убирают и грунт укрепляют, чтобы водрузить фундамент здания на твердую землю. Второй вариант — когда мерзлый грунт практически не разжижается в теплое время года, то есть сложен из крупнообломочного материала или зернистого песка.

В России, как правило, следуют первому принципу — в зоне многолетней мерзлоты стоят целые кварталы и даже города Русского Севера: Билибино (Чукотка), Норильск, Воркута, Магадан и многие другие. Первые этажи жилых зданий приподнимают над землей, устанавливая на сваи. Благодаря этому холодный северный воздух свободно циркулирует под ними (это называют вентилируемым подпольем), не давая «домашнему» теплу добраться до многолетнемерзлых пород, а сваи за несколько сезонов намертво вмерзают в грунт. В особых случаях, например для опоры тяжелых мостов, могут применять монолитные сваи: сделать, довезти и установить сваи длиной 40 метров слишком сложно и дорого, поэтому в грунте бурят скважины и заливают их бетоном.

Иногда здания строят с полностью лишенным отопления первым этажом, а частный дом можно возвести и просто на слое термоизоляции (например, с использованием листов экструдированного пенополистирола). Это гораздо дешевле и быстрее, чем возведение свайного фундамента, однако для массивных многоэтажных конструкций такой способ не подходит: подобные материалы не рассчитаны на сильное сжатие.

Для поддержания отрицательной температуры грунта зимой также используют сезонные охлаждающие устройства (СОУ), которые представляют собой герметичную трубу, часть которой находится под поверхностью грунта (испаритель), а часть снаружи (радиатор). Внутри трубы — однофазный (керосин) или двухфазный (аммиак, углекислый газ, пропан, фреон) хладагент. Когда температура воздуха опускается ниже температуры грунта, в котором закреплен испаритель, в радиаторе начинают конденсироваться, закипать и испаряться пары хладагента. Этот процесс сопровождается переносом тепла из грунта на его поверхность.

В России используют три основных типа таких устройств: горизонтальные естественно действующие трубчатые системы ГЕТ, вертикальные естественно действующие трубчатые системы ВЕТ для крупных сооружений и индивидуальные термостабилизаторы для срочного локального охлаждения. ГЕТ и ВЕТ — это системы тепловых трубок, замкнутых в общий контур. Теплоноситель в них циркулирует по всей системе. Эти системы удобно использовать для крупных сооружений, например многоэтажных жилых домов. Индивидуальные термостабилизаторы широко применяются, к примеру, на объектах нефте- и газодобычи в Лабытнанги, в Салехарде и на Ямале используются облегченные СОУ с двухфазным теплоносителем — диаметр их труб не превышает 32–57 миллиметров, а масса — 70 килограммов. Исследования показывают, что использование СОУ в сочетании с хорошей термоизоляцией сохраняет грунт в мерзлом состоянии даже к концу лета.

Сооружения возводят по принципу II, если многолетняя мерзлота тонкая (менее 10 метров в глубину) и прерывистая: ее проще растопить, чем пытаться поддерживать. Такие условия встречаются редко и актуальны для городов на границе зоны многолетней мерзлоты, например в Магадане. Уже сейчас в России есть случаи, когда сооружения построены по принципу I, но эксплуатировать их приходится по принципу II. Например, 202-й квартал в Якутске был возведен с предположением, что температура грунтов оснований в микрорайоне не превысит −10...-20 градусов Цельсия. Но среднегодовые температуры воздуха в Якутске повысились с −10,7 градуса Цельсия в 1971 году до −3...-4 градусов Цельсия в 2005 году. Тем не менее осадки фундаментов и деформации оказались неопасными и допустимыми для конструкций зданий, поэтому их продолжают эксплуатировать по принципу II.

Близкое залегание твердых коренных пород не всегда гарантирует надежное строительство сооружений. Здания в таких случаях могут поместить на сваи-стойки, которые будут упираться в породу. Однако, если подрядчики некачественно выполнят работу и установят более короткие сваи, которые до породы не дотянутся, они могут накрениться в толще многолетней мерзлоты, как свечки в торте.

Падающий дом

Ошибки при строительстве в условиях многолетней мерзлоты могут привести к деформациям и разрушению конструкций фундамента, несущих и ограждающих конструкций, неравномерной осадке здания и появлению трещин на стенах. Зачастую они происходят по вине некачественно проведенных инженерно-геологических изысканий.

Например, при строительстве автовокзала в Салехарде и трассы Чита — Хабаровск многолетнемерзлые породы вообще не были учтены, что вылилось в дополнительные затраты в период эксплуатации: пришлось промораживать талики под уже построенным зданием. В городе Надыме возникли проблемы с двумя жилыми домами: их фундаменты были спроектированы организацией, сотрудники которой не имели специализированных знаний о многолетнемерзлых грунтах. В результате в ходе эксплуатации оба здания покосились по верху на 20–30 сантиметров. С аналогичными проблемами столкнулись и при строительстве БАМ: в районах будущих тоннелей инженерно-геологические работы не были проведены надлежащим образом, что привело к авариям и задержке пропуска путеукладчика на Байкальском, Кодарском, Нагорном, Северо-Муйском тоннелях, а также на мысовых тоннелях вдоль озера Байкал. Дом № 19 в 202-м микрорайоне Якутска был построен на сваях, установленных в намывные грунты, которые по идее должны были промерзнуть, но по факту мерзлота протаяла из-за фильтрации вод через песок, и здание накренилось.

На Чукотке уже порядка 60 процентов автомобильных дорог, построенных преимущественно по принципу II, нуждаются в реконструкции: их высота в результате деформаций стала вдвое ниже спроектированной. Четверть из них находится на «нулевой» отметке, то есть насыпь провалилась практически полностью. Аналогичные недостатки в 1990-х начали проявляться и на железнодорожных насыпях Большой Амурской магистрали (БАМ).

Во многом показателен и опыт российского строительства на архипелаге Шпицберген. В местных норвежских поселениях преобладают низкие одно- и двухэтажные строения, которые не несут существенной внешней нагрузки на многолетнемерзлые грунты. Напротив, в российском поселке Баренцбург застройка происходила в середине XX века, и представлена она в основном многоэтажными зданиями с тяжелыми железобетонными фундаментами. Сейчас многие из этих зданий находятся в аварийном состоянии, и вход в них строго запрещен. Некоторые здания пришлось демонтировать из-за солифлюкции, которую спровоцировало тепло от зданий и их чрезмерная нагрузка на грунт.

Для надежной работы СОУ в течение десятилетий необходимо учитывать и множество других моментов — в качестве материала для труб следует использовать высококачественную сталь 20 или 09Г2С толщиной не менее трех миллиметров, качество сварочных швов контролировать рентгенологически, а также наносить равномерное антикоррозийное цинковое покрытие толщиной не менее 80 микрометров. Важным этапом является монтаж термостабилизаторов: для него требуется пробурить в мерзлом грунте скважину глубиной 10-12 метров, избежав осыпания стенок.

Ничто не вечно

Многолетняя мерзлота на территории России уже сталкивается с рисками деградации на фоне изменения климата, который в Арктике меняется особенно быстро: с 1971 года по настоящее время среднегодовая температура поверхности (суши и океана) в Арктике в целом выросла уже на 3,1 градуса Цельсия, а температура мерзлоты в северном полушарии за последнее десятилетие увеличилась на 0,39±0,15 градуса Цельсия в зоне сплошного и на 0,20±0,10 градуса Цельсия в зоне прерывистого ее распространения.

Согласно специальному докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) «Об океане и криосфере в условиях меняющегося климата», который опирался на большое геокриологическое исследование 2007–2016 годов, за этот промежуток времени температура непрерывной многолетней мерзлоты в Арктике выросла на 0,39±0,15, а островной мерзлоты — на 0,20±0,10 градусов Цельсия. Для почти 20 процентов арктической многолетней мерзлоты (3,6⋅10^6 квадратных километров) характерны внезапные оттепели. При этом быстрее всего на планете разогревается мерзлота на полуострове Ямал.

Ученые пытаются прогнозировать состояние многолетней мерзлоты в долгосрочной перспективе. Два важнейших показателя, изменения которых отслеживаются при мониторинге состояния многолетнемерзлых пород — это их температура и мощность СТС. Рост температуры этих пород и увеличение мощности СТС говорят о том, что мерзлота тает. Для мониторинга СТС в 1990 году был запущен международный проект CALM (Circumpolar Active Layer Monitoring), который собирает данные о толщине СТС с более чем 200 площадок в 15 странах мира, 68 таких площадок находится в России.

Существует также сеть наблюдения за температурой многолетней мерзлоты — проект TSP. В рамках этой программы специалисты измеряют температуру многолетней мерзлоты в природных ландшафтах на разной глубине в специально пробуренных скважинах по всей Арктике. Данные, которые собираются этими проектами, используются Росгидрометом для подготовки докладов об изменении климата на территории России, а также учеными во всем мире для построения прогнозов изменения мерзлоты.

На Шпицбергене, архипелаге с российским присутствием, есть несколько наблюдательных площадок и скважин. По данным, полученным из термометрической скважины глубиной 109 метров в Янссонхаугене (пробурена в 1998 году), в течение последних 20 лет наблюдается непрерывное повышение температуры многолетнемерзлых пород на глубине до 80 метров. Наиболее активно оно протекает в верхних 10–20 метрах. Ежегодно деятельный слой на Шпицбергене становится глубже в среднем на 2,5 сантиметра

Ключевые прогнозы в области мерзлотоведения охватывают период до конца 2100 года. В них применяются сценарии антропогенных выбросов парниковых газов IPCC — RCP (Representative Concentration Pathway). Например, RCP2.6 подразумевает существенное ограничение таких выбросов, а сценарий RCP8.5, который реализуется сейчас, соответствует отсутствию каких-либо ограничений. Использование наиболее широко употребимых на текущий момент моделей CMIP5 привело к следующим результатам: при реализации сценария RCP2.6 к концу XXI века Земля лишится 2–66 процентов многолетней мерзлоты; сценария RCP8.5 — от 30 до 99 процентов. Такой разброс значений вызван серьезными неопределенностями в моделировании, которые вносят растительный покров и пожарная активность: пожары влияют на мерзлоту напрямую, а также могут менять видовой состав растительных сообществ, увеличивая или уменьшая численность легковоспламеняющихся древесных пород в тайге.

Исследование в зоне арктической многолетней мерзлоты показало, что 70 процентов инфраструктуры на этой территории, включая 1200 населенных пунктов, 40 из которых имеют население более 5000 человек, находится в районах высокого риска: к 2050 году находящиеся там многолетнемерзлые грунты будут таять по сценарию RCP4.5. 45 процентов территорий шельфовой нефтегазодобычи и транспортировки углеводородов в российской Арктике также относятся к районам с высоким риском деградации многолетней мерзлоты. В России из-за отступления мерзлоты уже деформировано около 40 зданий и сооружений в Воркуте, почти 60 процентов — в Игарке, Диксоне, Вилюйске, Норильске и фактически 100 процентов — в национальных поселках Таймырского (Долгано-Ненецкого) муниципального района Красноярского края, около 40 процентов — в Воркуте.

Трубопроводы, большинство жилых зданий и промышленных объектов на многолетней мерзлоте в России построены на свайных фундаментах. На боковой поверхности свай образуется лед-цемент, скрепляющий их с мерзлым грунтом. Он берет на себя до 80 процентов нагрузки на сваю и определяет ее несущую способность. Прочность льда-цемента падает при увеличении температуры грунта. Исследования показывают, что несущая способность свайных фундаментов уже уменьшилась на величину до 40 процентов и в ближайшее десятилетие запас их прочности перестанет соответствовать строительным нормам.

По оценкам ученых, к середине XXI века в зоне распространения многолетнемерзлых пород в России при сохранении текущих темпов выбросов парниковых газов из-за деградации многолетней мерзлоты могут пострадать 20 процентов инфраструктуры и 54 процента жилых зданий. Наиболее уязвимые регионы — Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ и Красноярский край. Эти изменения затронут жизни 4 процентов населения, но не менее 17 процентов производимого продукта страны.

Авторы исследования отметили, что, в отличие от Скандинавских стран и стран Северной Америки, где зона многолетней мерзлоты застроена преимущественно малоэтажными жилыми зданиями и легкими промышленными объектами, в аналогичных регионах России преобладают массивные многоэтажные сооружения. Поддержание таких конструкций требует уникальных и достаточно дорогих технологий адаптации к таянию мерзлоты. Суммарный ущерб для всей инфраструктуры, построенной на мерзлоте в России, к середине XXI века составит примерно в 105 миллиардов долларов с наибольшим вкладом от ЯНАО (52,33 миллиарда долларов) и Якутии (21,26 миллиардов долларов).

Реклама: ЧУ «Центр коммуникаций», ИНН 9705152344