Наледеобразование

Наледями называются ледяные тела плосковыпуклой формы и различных размеров, формирующиеся зимой в результате многократного излива подземных, речных, озерных и морских вод на поверхность земли или льда и послойного их замерзания. Для образования наледей необходимо наличие водоупора и низких отрицательных температур воздуха, поэтому они нередко встречаются и за пределами многолетней криолитозоны, в условиях континентального климата. Однако наиболее широко они распространены именно в ее пределах, где водоупором является кровля многолетнемерзлых пород.

Наиболее часто наледи образуются в горно-складчатых областях (Верхояно-Чукотская, Становая и др.), где существует высокая степень водообмена между поверхностными и подземными водами (Приложение). В естественных природных условиях в равнинных местностях наледи встречаются реже (Центральная Якутия) или совсем редко (север Западной Сибири).

В генетическом отношении различают наледи поверхностных вод, подземных вод и смешанного происхождения. Характером питания, а также климатическими условиями определяются режим формирования наледей и их размеры.

Вода, которая формирует наледь, может выходить на поверхность в результате естественной разгрузки подземных вод, отжатия воды из промерзающих отложений или в результате сужения живого сечения речного или подруслового потока вследствие его промерзания. Нередко причиной появления наледей становится хозяйственная деятельность человека (техногенные и искусственные наледи).

Сезонное промерзание, сужающее живое сечение поверхностных и подземных потоков воды, приводит к тому, что вода, приобретая напор, разрывает кровлю из мерзлого грунта или льда и, растекаясь тонким слоем по дневной поверхности, замерзает. В результате излияния воды напор в системе падает, и нарушенная кровля вновь начинает восстанавливаться. Количество циклов излияния–замерзания в течение зимы может достигать нескольких десятков, в результате чего формируется слоистое ледяное тело. В зависимости от водообильности наледеобразующего источника и метеорологических условий меняется размеры и мощность единичных слоев льда. Причем колебание зимних температур воздуха сказывается главным образом на размеры наледей южной геокриологической зоны, где выше, как правило, мощность снежного покрова, температура пород и короче зима. Например, в районе Станового хребта, в бассейнах рек Чары и Токко, площади отдельных крупных наледей из года в год отличаются в несколько раз. В Центральной Якутии размеры наледей определяются в первую очередь дебитом источника, поскольку для замерзания воды холода хватает. Однако, и там площадь наледей в «мягкие» зимы больше, чем в суровые, – вода успевает растекаться на большие расстояния; объем при этом мало меняется.

В процессе образования наледей подземных вод часто образуются бугры пучения – гидролакколиты, которые обычно состоят из мерзлого грунта, содержащего внутри ледяное ядро. Встречаются и чисто наледные бугры, состоящие из одного льда.

Размеры наледей варьируют в больших пределах: площади их изменяются от нескольких квадратных метров до десятков квадратных километров, а объемы могут достигать млн. м³ (гигантские наледи). Самой большой наледью на Земном шаре считается «Момский Улахан-Тарын», которая формируется на притоке р.Индигирки (Верхоянский хребет). Ее площадь в отдельные годы достигает 80 км², а объем – 200 млн. м³. Чтобы представить такое количество льда, можно мысленно выстроить из него дорогу от места формирования наледи до Москвы через Тюмень. Получиться трасса шириной 20 м и толщиной ледяного полотна около 1, 5 м. Всего в рассматриваемом регионе насчитывается около 10 тысяч наледей суммарной площадью около 14 тыс. км², в которых ежегодно аккумулируется до 30 млн. км³ (по Б.Л.Соколову, 1975).

Максимальные мощности наледного льда также изменяются в больших пределах – от нескольких десятков сантиметров до 7-10 м. Лед большой мощности часто не успевает растаять за летний период, и тогда отдельные части наледи переходят в следующую зиму (перелетовывают), а иногда сохраняются много лет. Нарастание максимальной мощности льда из года в год не происходит из-за того, что наледь формируется на более низких отметках.

В горных районах с суровыми климатическими условиями и широким развитием склоновых процессов часто происходит захоронение наледного льда, образующие его пласты могут сохраняться многие годы.

Наледеобразование, широко распространенное в природе, оказывает негативное воздействие на строительство и эксплуатацию инженерных объектов. Впервые широкомасштабное наледеобразование проявило себя при строительстве Транссибирской железнодорожной магистрали. Причем, в период инженерно-геологических изысканий наледей было выявлено немного, их количество резко возросло после возведения насыпи, т.е. при интенсивном нарушении естественных природных условий. В результате строительства трассы были перекрыты пути стока подземных вод, воздвигнуты (непроизвольно) мерзлотные барьеры, изменены условия снегонакопления, составляющие радиационно-теплового баланса и пр. Затраты на противоналедную борьбу в первые годы эксплуатации железной дороги превысили всю смету расходов на содержание путей.

Впервые широкомасштабные исследования влияния наледей на инженерные сооружения выполнены В.Г.Петровым в начале 30-х годов прошлого века в Южной Якутии, где он изучал притрассовые наледи вдоль Амуро-Якутской автогужевой магистрали. На относительно коротком участке трассы от пос.Соловьевск (Амурская область) до пос.Беркакит (Республика Саха-Якутия) им было обследовано около 120 наледей, многие из которых выходили на дорогу, затрудняли движение транспорта и разрушали земляное полотно (в среднем одна наледь на 3 км).

В.Г.Петровым под руководством М.И.Сумгина были разработаны и успешно применялись методы противоналедной борьбы, которые условно подразделялись на: а) пассивные − преимущественно сезонные и б) активные – долговременные (постоянные). К первым относятся: отвод наледных вод по канавам во льду и пропуск их под мостовые переходы; удаление льда механическим (или ручным) способом; устройство ограждающих стенок из дерева или камня; устройство сезонных обходов наледных участков на автодорогах и пр. Применение описанных методов не требует специальной подготовки инженерного состава. К активным методам можно отнести постоянные защитные мероприятия: строительство подземного дренажа, каптирующего и отводящего подземные воды на безопасное расстояние от защищаемого сооружения; устройство мерзлотных поясов, вызывающих наледеобразование значительно выше по склону; поднятие дорожного полотна на высоту, исключающую наледное воздействие; уширение выемок на наледных участках; подогрев наледеобразующих вод и др.

Немало сил и средств было затрачено на борьбу с наледями строителями Байкало-Амурской железнодорожной магистрали (БАМ), несмотря на имеющийся опыт борьбы с наледями на дорогах. На одном из восточных участков БАМа, где наледь перекрывала железнодорожные рельсы, приходилось постоянно скалывать лед, а когда это не помогало, то на наледь укладывали новые шпалы с рельсами и так до высоты 4-х метров. При этом замена пути проводилась на расстоянии многих сотен метров. Проходка тоннеля «Нагорный» на юге Якутии (Малый БАМ) также сопровождалась наледеобразованием. Хотя объем ее не превышал 5 тыс. м³, а дебит наледеобразующего источника был менее 0, 5 л/с, весь лед приходилось резать на куски и вывозить самосвалами за пределы выемки. Сметная стоимость противоналедных мероприятий по этому тоннелю превышала 0.5 млн. советских рублей.

Известны и более курьезные случаи, связанные с прорывом подземных вод и образованием наледей на внешне неблагоприятных для их развития участках. Например, в г. Лабытнанги несколько лет назад наледь появилась в одном из холодных складов, где она никогда не формировалась. Причина в том, что осенью, в период максимального протаивания грунтов, на пол склада были сложены тюки пакли. Зимой пакля предохранила грунты от глубокого промерзания, и в результате криогенного напора, возникающего в водоносном горизонте, толща слабо промерзших грунтов была прорвана и вода поступила на поверхность земли. В Якутии, по рассказам охотников, наледь нередко появлялась в палатках, до этого хорошо протопленных.

Таким образом, можно заключить, что наледеобразование весьма коварный процесс и требует к себе пристального внимания специалистов. Однако следует отметить и положительную роль наледей. В суровых условиях криолитозоны по интенсивности наледеобразования и размеру наледей гидрогеологи довольно точно определяют ресурсы подземных вод верхней гидродинамической зоны. На наледных реках в засушливый летний период (летняя межень) сток поддерживается в значительной степени за счет таяния наледей. Причем, наледная вода имеет низкую минерализацию, поскольку основная масса солей ушла в реки во время паводка. Во многом принцип наледеобразования используют строители зимних ледовых переправ через крупные северные реки, что позволяет на 1.0-1.5 месяцев увеличить срок эксплуатации зимников. Крупные наледи формируют собственный микроклимат, благоприятный как для людей, так и животных: зимой в суровые морозы на наледи теплее, чем на удалении от нее, а летом, в жару прохладнее да и ветер сбивает тучи мошки и комаров, позволяя дышать чистым воздухом. Наконец, наледные тела в жаркий летний день – это просто красивое завораживающее зрелище.