Compilation of Engineering and Geocryological Mapping of the Key Sections of the Amga Highway

Совместное влияние техногенного и климатического факторов уже привело и может привести в отдельных районах криолитозоны к ряду экологических катастроф и крупных аварий на природно-технических системах, в частности к деформациям на автомобильных дорогах. В настоящее время на опытно-экспериментальных полигонах сети автомобильных дорог регионального значения, куда входят и ключевые участки А-1 и А-2, активно ведется инженерно-геокриологический мониторинг. Целью работы является составление инженерно-геокриологических карт ключевых участков автомобильной дороги «Амга», которые необходимы для дальнейшего изучения устойчивости земляного полотна в криолитозоне Республики Саха (Якутия).

Около 100 км автодороги «Амга» пролегает по территории широкого распространения ледового комплекса. Согласно районированию по Мерзлотно-ландшафтной карте [1], [2], [3] автодорога «Амга» находится в пределах Лено-Амгинской среднетаежной аласной провинции сплошных многолетнемерзлых пород (ММП), в пределах Тюнгюлюнской и Абалахской террас р. Лены. На территории Абалахской террасы р. Лены особенно широко развиты повторно-жильные и текстурообразующие льды. В среднем вертикальная мощность ледяных жил колеблется от 15 до 25 м, ширина достигает 6-7 м. В то же время встречаются крупные жильные льды с мощностью 40-65 м, которые были вскрыты бурением на межаласьях в сингенетически промерзших супесчано-суглинистых отложениях [4]. Объемная льдистость пород верхних 5-8 метров толщи ледового комплекса в среднем составляет 60-70%.

Ключевые участки выбирались таким образом, чтобы с учетом сложности территории по геокриологическим условиям можно было оценить их оптимальное количество с учетом набора максимально неблагоприятных природных компонентов для эксплуатации автодороги. В ходе маршрутных исследований интервалы основных и дополнительных точек наблюдения определялись конкретными условиями и сложностью того или иного участка автодороги. На поперечниках основные точки наблюдения обычно располагаются вне трассы через 20-25 м, на дорожной инфраструктуре площадки у подножья насыпи, оси автодороги и ограничивается внешними границами площадки. Вспомогательные точки обычно намечаются на участках изменения ландшафтных и геокриологических условий, при фиксировании значимых геологических процессов и явлений (образований), в пунктах начала и окончания маршрутов.

Ключевой участок А-1 расположен на 37-39 км автомобильного тракта «Амга» и находится в урочище Чюйя в Абалахской надпойменной террасе Лено-Амгинского междуречья. Автодорога здесь пролегает почти по бровке борта аласной котловины с крупным озером. Днище этой термокарстовой впадины находится гипсометрически на 10 м ниже от уровня межаласья. Склоны аласа довольно крутые и осложнены байджерахами. Во время проведения буровых работ на этом участке во всех скважинах были вскрыты повторно-жильные льды с вертикальной мощностью 9-12 м. Скважины были пробурены на краю проезжей части в 2 м от бровки насыпи. Высота земельного полотна здесь составляет 0,8, ширина проезжей части – около 10 м. Под покровными суглинками на глубине 2,7 м вскрыта кровля повторно-жильного льда. Нижний конец ледяной жилы выклинивает в мелкозернистых песках на глубине 14,2 м. 

Ключевой участок А-2 расположен на 74-75 км автодороги «Амга» в Абалахской надпойменной террасе Лено-Амгинского междуречья. Основным типом рельефа является эрозионно-аккумулятивный и термокарстовый (аласный). При проведении буровых работ на территории ключевого участка были вскрыты аласные отложения. Эти образования не содержат крупные тела подземного льда, но за счет содержания большого количества текстурообразующего льда относятся к сильнольдистым грунтам. Мощность толщи аласных отложений на этом участке по данным бурения колеблется от 7,5 до 11,0 м. Так, аласные отложения вскрыты на интервале глубин от 2,2 до 12,3 м и представлены сильнольдистыми илистыми суглинками серого цвета. 

Для выявления ландшафтного разнообразия в пределах исследуемых ключевых участков А-1 и А-2 в июне-июле 2020 года проведена крупномасштабная ландшафтная съемка. Схема расположения точек заранее определялась по топокарте и космоснимкам дешифровочных признаков. Описание опасных участков производилось на уровне фации, наименьшей единице классификации ландшафтов [5], [6] и сопровождалось определением состава древостоя, его высоты и диаметра стволов, сомкнутости крон, состава подроста с определением его густоты, состава кустарникового яруса с определением покрытия, типа травяно-кустарничкового яруса с определением состава флоры и мохового, лишайникового покровов и их проективного покрытия, определения микрорельефа поверхности. Полевые обследования ландшафтов на ключевых участках проводились пешим маршрутом вдоль дороги с фотографированием ландшафтов и криогенных процессов, а также дистанционным фотографированием и видеосъемкой беспилотным летающим аппаратом (квадрокоптером).

Количественные данные по изменению состояния основных компонентов сезонной и многолетней мерзлоты (глубины сезонного промерзания и протаивания, средней годовой температуры на границе деятельного слоя и многолетней мерзлоты, температуры на подошве слоя годовых теплооборотов, криогенного пучения грунтов, подземных вод (вод сезонно-талого слоя)) послужили основой для составления инженерно-геокриологических карт ключевых участков масштаба 1:2 000 с применением ГИС-технологий. Составление и оформление цифровых карт проводилось с применением программы ArcGIS. В основном были использованы ортофотопланы и цифровые модели рельефа с разрешением 1,5 см/пикс., полученные во время съемки с помощью БПЛА DJI Phantom 4. К картам составлены таблицы, в которых представлены основные характеристики мерзлотных ландшафтов.

Геофизические исследования проводились с применением метода вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) в модификации электротомографии (ЭТ) и георадиолокации. Так, на участке А-1 выполнено 4 геофизических профиля. Два профиля по левой и правой обочине дороги протяженностью 188 м и два профиля перпендикулярно по 126 м. Профиля 0 и 1 имеют схожее двухслойное строение. В верхней части залегают низкоомные грунты (до 300 Ом·м) представленные суглинками, мощностью до 3 м. Ниже залегает лед, имеющий очень высокие значения удельного сопротивления (50 000 – 150 000 Ом·м). Из-за высоких значений сопротивления нижележащие слои не выделяются и были нарисованы условно по скважинам. На профиле два, проходящем от дороги в сторону аласа, так же выделяется в верхней части слой глин и суглинков, который залегает на льдах, ниже залегают различные по крупности пески. Профиль 3 имеет более сложное строение. В верхней части выделяются глинистые и песчанистые грунты, которые залегают на льду, и песках. На расстоянии 70-80 м от начала профиля на глубинах 10-20 м залегают супесь, которая выделилась по низким значениям удельного сопротивления. 

На участке А-2 выполнено 4 геофизических профиля. Два профиля по левой и правой обочине дороги, протяжённостью по 252 м. И два профиля перпендикулярно дороге, протяжённостью по 126 м. Профиль 0 и 1 имеют схожее трёхслойное строение. В верхней части выделяются супеси мощностью до 2-3 м. Ниже залегают сильнольдистые суглинки мощностью до 12-13 м. Нижние слои представлены пылеватыми песками и суглинками. Профиль 2 сложен в верхней части супесями, которые залегают на сильнольдистых суглинках, а местами на пылеватых песках и суглинках. Профиль 3 проходил через край термокарстового озера. Под озером выделяется талик до 10 м. Верхняя часть разреза представлена супесями, которые залегают на сильнольдистых суглинках.

Естественные природно-территориальные комплексы (ПТК) прилегающие к автодороге в пределах ключевого участка А-1, в основном представлены разнотравно-злаковыми лугами на межаласном и аласном типах местности (рис. 1).

Рисунок 1 - Инженерно-геокриологическая карта участка А-1 автодороги «Амга»

DOI:10.23670/IRJ.2022.126.28.1

Антропогенные комплексы сформированы вдоль автодороги в виде термокарстовых просадок и заболоченных участков. В Центральной Якутии термокарст является одним из ведущих инженерно-геологических процессов [7], [8], [9]. Он вызывает коренное изменение строения ледового комплекса, приводит к образованию глубоких просадочных и провальных форм рельефа [4]. П.А. Соловьев дал первое определение отложениям термокарстовых форм рельефа и назвал их аласными [10].

На Инженерно-геокриологической карте ключевого участка А-1 масштаба 1:2 000 (рис. 1) многолетнемерзлые породы мощностью 280-300 м имеют сплошное распространение, отложения представлены суглинками и супесями. Всего на карте выделено 6 природно-территориальных комплексов:

1) лиственничный лес на межаласье с температурой пород -2,8°С, мощностью сезонно-талого слоя (СТС) 0,8-1,2 м, распространены термокарст и пучение;

2) разнотравно-злаковый луг на межаласье с температурой пород -2°С, мощностью СТС до 2 м, распространены морозобойное растрескивание и пучение;

3) сухие луга на термокарстовых просадках на межаласье мощностью СТС 1,-2,0 м, распространены термокарст и пучение;

4) байджерахи на склоне аласа мощностью СТС 2,0,-2,5 м, распространен термокарст;

5) остепненные луга на сухой зоне аласа с температурой пород -0,7°С, мощностью СТС 2,5-3,0 м, распространены морозобойное растрескивание и пучение;

6) разнотравные луга на влажной зоне аласа с температурой пород -0,5°С, мощностью СТС 2,5-3,0 м, распространены морозобойное растрескивание и пучение.

Криотекстура пород в основном линзовидная, слоистая, базальная и массивная, линзовидная, сетчатая.

Естественные природно-территориальные комплексы прилегающие к автодороге в пределах ключевого участка А-2, в основном представлены зеленомошно-брусничным лиственничным коренным лесом на межаласном типе местности, осоковым кочкарником и разнотравно-злаковым лугом на аласном типе местности (рис. 2). Антропогенные комплексы сформированы вдоль автодороги в виде термокарстовых просадок и заболоченных участков.

Рисунок 2 - Инженерно-геокриологическая карта участка А-2 автодороги «Амга»

DOI:10.23670/IRJ.2022.126.28.2

На Инженерно-геокриологической карте ключевого участка А-2 масштаба 1:2 000 (рис. 2) представлены многолетнемерзлые породы с идентичной с ключевым участком А-1 мощностью (280-300 м) и распространением (сплошное), отложения представлены суглинками. Выделены следующие природно-территориальные комплексы: лиственничный лес на межаласье с температурой пород -3,0…-4,0°С, мощностью СТС 1,2-1,5 м; разнотравно-злаковый луг на межаласье с температурой пород -2,0…-2,5°С, мощностью СТС 1,8-2,0 м; остепненные луга на склонах аласов с температурой пород 0…-1,0°С, мощностью СТС 2,2-2,5 м; кустарниковая растительность на межаласье с температурой пород 0…-1,0°С, мощностью СТС 1,8-2,0 м; остепненные луга на сухой долине с температурой пород -1,0…-2,0°С, мощностью СТС 2,0-2,2 м; разнотравные луга на влажной долине, остепненные луга на сухой зоне аласа и разнотравные луга на влажной зоне аласа мощностью СТС 2,0-2,2 м. Криотекстура пород в основном линзовидная, слоистая и массивная. Развиты криогенные процессы – термокарст, пучение, морозобойное растрескивание.

В результате проведения мерзлотно-ландшафтных исследований и изучения инженерно-геокриологических условий ключевых участков А-1 и А-2 автомобильной дороги Амга составлены инженерно-геокриологические карты масштаба 1:2 000 с отражением природно-территориальных комплексов с характерными для них значениями температуры пород, мощности сезонно-талого слоя и криогенными процессами. На участке А-1 температура многолетнемерзлых пород и мощность сезонно-талого слоя изменяются от -0,5°С и на 2,5-3,0 м в разнотравных лугах на влажной зоне аласа до -2,8°С и на 0,8-1,2 м в лиственничных лесах на межаласном типе местности. На участке А-2 температура пород и мощность сезонно-талого слоя изменяются от -1,0…-2,0°С и на 2,0-2,2 м в остепненных лугах на сухой долине до -3,0…-4,0°С и на 1,2-1,5 м в лиственничных лесах на межаласном типе местности. На ключевых участках развивается термокарст, пучение и морозобойное растрескивание. Результаты буровых работ и геофизических исследований показали, что на ключевом участке А-1 автодороги Амга повторно-жильные льды распространены почти повсеместно, кроме аласных котловин, а на ключевом участке А-2 широко развиты сильнольдистые аласные отложения. 

Полученные результаты позволят разработать рекомендации по эксплуатации автомобильных дорог в области залегания подземных льдов и возможного интенсивного развития термокарстовых явлений, использовать мероприятия по обеспечению устойчивости и увеличению срока эксплуатации автомобильных дорог в реальных инженерно-геокриологических условиях.