Эх, дороги!

Буквально на днях, Общероссийский народный фронт подвел итоги инспекции «Оценим качество дорог» и назвал города с самым плохим состоянием асфальтовых покрытий. Якутск попал в топ-3 городов с самыми плохими дорогами.

Кроме нашего города, антирейтинг возглавили Петропавловск-Камчатский и Ульяновск, где также повсеместны сплошные ямы, колейность и просадки даже на так называемых гарантийных, то есть относительно новых дорогах.

 Транспортные системы города Якутска

(состояние и пути решения)

Деформации отдельных элементов дорожных комплексов являются одной из важнейших проблем ненадежного, а порой и катастрофического состояния городской инфраструктуры Якутска. Причины этих негативных событий широко обсуждаются общественностью и специалистами различных областей по крайней мере с последнего десятилетия прошлого века, регулярно выделяются астрономические, измеряемые миллиардами рублей средства, проводятся какие-то мероприятия, но ситуация к лучшему меняется мало, а чаще фиксируется и негативная динамика. Цель — разобраться с причинами этой динамики и путями её предотвращения.

Природные условия функционирования инфраструктуры Якутска

В первую очередь очень кратко осветим природные условия территории, в пределах которой функционирует инфраструктуры Якутска. Сотрудники Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН (ИМЗ) уже несколько десятилетий занимаются различными компонентами природной среды города [1,2,3] с акцентом на проблемы состояния и надежности его инфраструктуры (здания и сооружения, дороги, гидротехнические сооружения). Ранее были показаны причины их ненадлежащего состояния, связанные с рядом природных и геотехнических факторов [2,3].

К числу одной из основных причин подобного состояния природного характера отнесено обводнение поверхности территории Якутска, обусловленное нарушением путей миграции многочисленных водоемов с застойным режимом вод, изменением вертикальной планировки (создание местных дамб и т.д.) и приводящее к негативному перераспределению поверхностных и грунтовых вод [3,4,5].

Территория города на протяжении последних сорока лет активно заболачивается, меняется тепловой баланс и химический состав подстилающих отложений. Именно процессы переувлажнения, а чаще и заболачивания городских геосистем, приводят в застроенной части города к интенсивному обводнению, засолению и оттаиванию пород, вызывая неравномерные деформации грунтов оснований. Вследствие постоянных утечек, минерализованных агрессивных сточных вод из систем канализации, происходит не только деградация мерзлых грунтов, но и разрушение железобетонных несущих конструкций фундаментов [3,4,5].

В результате локализация надмерзлотных вод и техногенных водоемов приобрела «ячеистый» характер [4]. При этом, за счет твердых покрытий дорог, тротуаров, площадок вблизи зданий и под ними, отчетливо сокращающих расходную составляющую водного баланса городской территории, резко уменьшилось испарение надмерзлотных вод. Наряду с негативным влиянием на здания, обводнение, как это будет показано ниже, аналогично усложняет и эксплуатацию дорог.

Для решения проблемы обводнения города и минимизации его негативных последствий, был рекомендован комплекс организационных и практических мероприятий [3].

В последнее время сотрудниками ИМЗ представили по данной проблеме несколько полезных разработок [6,7]. Реализация этих предложений могла бы решить одну из основных геоэкологических проблем города.

Особенно показательными в этом плане являются результаты исследований причин и особенностей деформаций зданий в Якутске в конце ХХ и начале ХХ1 веков [3,8].

Анализ дистанционных снимков последних лет позволил оценить современную картину обводнения поверхности города и выявить дальнейшее активное ухудшение эколого-гидрологической обстановки. К сожалению, до практической реализации многочисленных решений и постановлений, безусловно обоснованно и объективно отражающих сложившуюся обстановку, дело пока так и не доходит.

Ещё одним важным аспектом общей проблемы надежности городской инфраструктуры является роль изменения климата. В последнее десятилетие проблема активно обсуждается [9,10] и, на наш взгляд, имеет место определенное преувеличение роли климатического фактора в нарушении устойчивости зданий.

Состояние и основные причины деформаций дорог города

В данной публикации основное внимание уделено аспектам, связанным с состоянием еще одного элемента инфраструктуры Якутска — дорогам. Проблема их состояния также является одной из важнейших в плане надежного функционирования городского хозяйства. При этом следует особо подчеркнуть, что автомобильные дороги на Севере — это природно–технические системы, состоящие из трёх тесно взаимодействующих составляющих — покрытия, земляного полотна и его основания, создаваемых и эксплуатируемых в особых условиях.

Рис.1. Провал дороги при паводке

В целом, повседневное состояние дорог города, уже много лет находящихся в неудовлетворительном, а часто и катастрофическом состоянии (рис.1), является самостоятельной, заслуживающей многолетнего изучения и монографического описания проблемой. Её причиной, кроме уже упомянутого обводнения поверхности города, являются множество аспектов, условно объединенных в две позиции: некачественное строительство и безобразная эксплуатация. Порой на таких дорогах невозможно избежать аварийных ситуаций (рис. 2).

Рис. 2. Авария при деформации дороги

Стоит отметить, что Якутск далеко не всегда отличался плохими дорогами. Еще в Х1Х и в начале ХХ веков в городе строились существовавшие лишь на российском Севере дороги из деревянных лиственничных чурбаков. Дерево из которого изготовлялись эти элементы покрытия, является по сути вечным материалом, не гниющим и почти не поддающимся механическому воздействию. Ранее оно использовалось в качестве свай и иных оснований наиболее значимых зданий. Так на настиле из сибирской лиственницы построены и длительный срок безаварийно эксплуатируются храм Христа Спасителя в Москве, Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге, самое высокое здание Варшавы, подаренное Россией — дворец Культуры и Науки и т.д. В результате сочетания таких удивительных свойств, дорожные покрытия и тротуары северных городов, особенно в условиях ММП, отлично сохраняются под современными покрытиями. Очень важны условием качества дорог является подготовка основания и покрытия. Не вдаваясь в тонкости специального и обширного направления дорожного строительства, отметим лишь, что в условиях Якутска главную опасность представляет вода, перенасыщенные ею аллювиальные породы — очень неважное ложе для дорог и без проведения специальных мероприятий и устройства дренажа, устойчивость дорог проблематична.

Но конкретно в условиях Якутска есть еще один фактор, играющий, пожалуй, основную роль в состоянии дорог центральной части города. В последнее время главной причиной деформаций покрытий городских дорог считается катастрофическое состояние двух канализационных коллекторов. Какова же ситуация на сегодня?

В Якутске в 2015 г. активизировались деформации, приведшие к провалам асфальтовых покрытий, в частности на нескольких участках ул. Дзержинского, Ф. Попова, площади Орджоникидзе (рис.3,4). Только в мае-июне 2015 г. в Якутске произошло два провала дорожного полотна с образованием глубоких ям на улице Дзержинского. Образовавшиеся ямы были ликвидированы и засыпаны скальным грунтом.

Рис.3 Провал на ул. Дзержинского г. Якутск.

Однако, такими методами вряд ли можно решить общую проблему состояния дорожного полотна центральных улиц города, под которыми проходит законсервированный городской коллектор. Исследования данной тематики особенно актуальны в связи с тем, что аналогичные деформации в последние годы отмечаются на автомобильных дорогах арктических, субарктических и иных городов РФ, функционирующих в более благоприятных, по сравнению с Якутском, мерзлотно-климатических условиях (Калининград, Москва, Архангельск, Самара, Екатеринбург, Курган, Владивосток и т.д.). При этом причины негативных событий самые разнообразные: течи подземной канализации (Архангельск, Екатеринбург), скопление вод в пониженных местах (Томск), карстовые полости, образовавшиеся в результате миграции подземных вод (Уфа). Итак, активизацию деформаций элементов дорожных конструкций, происходящую в последнее время в различных городах страны, вполне можно отнести к проблемам федерального масштаба.

Рис.4. Провал на пл. Орджоникидзе, г. Якутск, 2015 г.

Судя по обзору, проведенному директором ООО «Геотехнология» Ф.Е. Попенко [11], один из наиболее масштабных провалов произошел ещё в 1994 г., когда по той же ул. Дзержинского в результате оттайки грунта разрушился участок аварийного канализационного коллектора и почти на год было закрыто движение транспорта по одной из магистральных улиц города. Спустя некоторое время, после аналогичного провала грунта в месте пересечения улиц ул. Дзержинского с Ф. Попова, были выполнены инженерно-геологические изыскания. По их результатам инженеры посоветовали усилить грунты путем силикатизации, т.е. добавления в грунт расплавов песка и химикатов, но их рекомендации выполнены не были. Тогда же в октябре-ноябре 1994 г. специалистами был подготовлен прогноз возможности возникновения в будущем аналогичных негативных явлений. Долго ждать не пришлось и в разные годы провалы произошли и в новых местах. Так, в 2011 г. инженеры «Геотехнологии» во главе с Ф.Е.Попенко вновь были привлечены к работам по коллектору, но в этот раз что бы забетонировать его.

Общегородской пространственный анализ позволил установить, что места формирования провалов в последнее время точно соответствуют трассам залегания аварийного коллектора. Осветим его технологические особенности.

Канализационный коллектор N1. Введен в эксплуатацию в 1969 г., строился как экспериментальный для условий ММП. Тоннель коллектора проходной, сечением 2,2 x 2 м, длиной 3220 м, проложен под пр. Ленина от ул. Каландаришвили до пл. Орджоникидзе и далее под ул. Дзержинского, ул. Ф. Попова до главной насосной станции в Рабочем городке, при начальном заглублении 4,5 м и 12,5 м у насосной станции. Диаметр труб, проложенных в тоннеле, обшитом лиственницей, изменяется от 400 до 1020 мм. Много лет находится в аварийном состоянии, систематически ведутся аварийно-восстановительные работы.

Канализационный коллектор N 2. Трубопровод стальной, диаметр — от 159 до 1020 мм, протяженность — 4,2 км, эксплуатируется с 1981 г. Проложен вдоль городского канала. Общая протяженность канализационных сетей в городе составляет 166,3 км.

Обычно канализационные сети имеют сроки эксплуатации — 20 лет, хотя в условиях Якутска трубы лежат уже более 45 лет. При этом с учетом современного состояния металла, специалисты стали переходить на полиэтилен, срок службы которого — порядка 50 лет.

Но главная проблема ненадлежащего состояния коллектора не только в трубе, а собственно в тоннеле. Его обшивка была выполнена из, казалось бы, вечной лиственницы, но за годы эксплуатации, все равно не выдержала, сгнила и развалилась. Бесконечные течи из канализационных труб приводят к химическому загрязнению вмещающих пород, ухудшению их физико-механических характеристик и активной деструкции. В результате сечение галерей многократно возросло, а толщина подстилающих дорожное покрытие несущих пород уменьшилась. В породах, окружающих подземный канализационный коллектор, обнаружены пустоты, есть трещины в стенах, налицо деформация несущих элементов.

Интересные результаты исследований состояния городских дорог и причин их деформаций получены специалистами автодорожного факультета Технического института СВФУ [12]. Судя по их данным, еще одной причиной деформации дорожных покрытий, явилось изменение конфигурации границ насыпи. Установлено, что в результате многолетней концентрации остаточных деформаций, граница насыпи дороги приобретает корытообразную форму. Кроме того, свою роль в деформациях насыпи играют длительное накопление остаточных деформаций в естественных мерзлых грунтах, слагающих основании насыпи, влияние увеличения веса насыпи после её реконструкции, механическое воздействие транспорта, а так же влияние высокотемпературных мерзлых пород, залегающих в полосе отвода.

Одному из авторов еще в середине восьмидесятых годов прошлого века довелось видеть в аэропорту Бор на севере Красноярского края взлетно-посадочные и рулежные дорожки, построенные специалистами США еще в годы Великой Отечественной Войны. Их покрытием служили стальные изготовленные из высокосортного металла и стоящие вертикально полосы, имеющие на срезе конфигурацию рельсов. В сочетании с высоким качеством насыпного основания, объект без особых укрепительных мероприятий просуществовал невиданный для наших аналогов срок. Это свидетельствует, что при соблюдении общепринятых технологий и в экстремальных условиях Заполярья можно создавать надежные транспортные системы.

Ещё одним важным элементом дорожной системы города являются тротуары. В последние годы в практику их создания все шире внедряются плиточные покрытия. Их основные достоинства — несомненная эстетическая привлекательность и долговечность, но все это достигается при условии строгого соблюдения несложных специальных и широко известных технологий, а также использования качественных материалов. В ином случае, как это происходит с новенькими тротуарами вокруг оз. Сайсары в Якутске, плиточные покрытия разваливаются за несколько лет. Еще одной опасностью для приподнятых элементов дорог — насыпей является гидроэрозия их бортов, активно протекающая в районе Сайсарского моста. Опаздывая к началу очередного мероприятия, строители не успели или не захотели соблюсти общепринятые правила создания подобных объектов. Слишком крутые, к тому же незакрепленные растительностью откосы насыпи, под воздействием ливневых осадков и акцентированных стоков с неспланированной поверхности, при отсутствии либо неверно работающих водостоках, размываются. При таких темпах активизации гидроэрозии, высока вероятность разрушения бортов и возникновения опасности для устойчивого состояния объекта.

Приведем данные за последние 10 лет, свидетельствующие насколько значительны бывают здесь объемы активно поступающей на поверхность атмосферной влаги [13]. В 2013 г. в отдельные дни мая и июля выпадало более полуторамесячной нормы осадков. В 2014 г. в некоторые дни июля и августа выпадало также более месячной нормы. При этом, в июле при норме 39 мм выпало 75 мм осадков, т.е. 192%, а в августе соответственно 37 и 43 мм, и 116% от нормы. В 2015 г. за последние два дня мая выпало более половины месячной нормы осадков, а всего за май при обычной норме 20, выпало 31 мм, т.е. больше на 55%, а в июне соответственно 35 и 50 мм и 43%.  Напомним, что именно в этот период 2015 г. или непосредственно после него возникли описанные выше провалы на магистральных улицах Якутска. Особую тревогу вызывают последствия обильных осадков, акцентировано обрушившихся на столицу 22 июня 2015 г., когда очередной провал образовался на улице Кальвица уже 23 июня. Подобные явления формировались и ранее, но несколько в меньших масштабах. Однако наибольшее количество осадков выпало в августе-сентябре 2006 г., когда в августе за несколько дней пролилась четырехмесячная норма, а за 2 дня – двухмесячная. За весь август при норме 36 мм фактически выпало 151 мм, т.е. 419%!!! от неё. В сентябре того же года выпало 54 мм при норме 31 мм, т.е. на 74% больше неё. В результате значительная часть города была затоплена и глубина воды в среднем составляла 0.5 м, а в пониженных местах – площадь Ленина, Залог и т.д., достигала 1.0 м. Ливневая канализация – одна из «слабых» геотехнических систем города, не справлялась, были затоплены первые этажи зданий в понижениях. Очевидно, что значительное количество воды через многочисленные трещины проникли в верхние горизонты грунтов и губительно повлияли на их инженерно-геологические свойства. Это сказалось как в теплое время – возникновение многочисленных «плывунов», так и в холодный период, когда провело к активизации пучения.

Все это губительно сказалось на состоянии элементов городской инфраструктуры, в том числе дорожных систем, и без того находящихся в неудовлетворительном состоянии.  Таким образом, проблема из категории чисто геотехнических становится ещё и геоклиматической.

Заключение

В настоящее время в Якутске число находящихся в аварийной ситуации и требующих немедленного внимания объектов инфраструктуры города стремительно растет. Наряду с разнообразными зданиями, к их числу относятся и дороги.

К основным причинам нарушения устойчивости дорожных систем и их надежности следует отнести негативное влияние аварийного городского канализационного коллектора. Не вдаваясь в технологические детали улучшения его состояния и надежности, являющиеся задачей специалистов-инженеров, выскажем общие соображения по путям решения этой проблемы.

Основным решением является срочная реконструкция существующих и находящихся в неудовлетворительном, а порой и аварийном состоянии l-го и 2-го канализационных коллекторов для увеличения их пропускной способности. С той же целью и для организации попутного дренажа следует реконструировать и квартальные канализационные сети.

Магистральные коллекторы должны сочетать функции сбора как поверхностных вод разного происхождения — дождевых и талых снеговых, а также поступающих от аварийных течей из-под зданий и водонесущих коммуникаций, так и надмерзлотных вод. Судя по приведенным данным [13], существует еще одна причина деформаций дорог Якутска — климатическая, связанная с периодическими ливневыми выпадениями атмосферных осадков.

В целях обеспечения безопасности дорожного движения, сохранения жизни и здоровья людей, прогнозирования ухудшения эксплуатационных характеристик автодорог в настоящее время, во избежание серьезные проблем в обозримом будущем, остро необходимо тщательное исследовании причин провалов с привлечением научных работников Якутского научного центра СО РАН, СВФУ и специалистов других организаций. Обязательными становятся сохранение и развитие сети инженерно — геокриологического мониторинга, результаты которого позволят вплотную подойти к прогнозу опасных ситуаций и защите различных геотехнических систем: транспортных, жилищных, промышленных, горнодобывающих и т.п. Реализация этих мероприятий позволит уменьшить развитие опасных криогенных процессов и обеспечить стабилизацию нарушенных мерзлотно-грунтовых условий в различных элементах дорожных комплексов. Конкретные районы, требующие повышенного внимания и обследования в связи с появлением новых опасных провалов участков — это улицы Дзержинского, Кальвица, Богатырева, проспект Ленина, пл. Орджоникидзе и др.

Литература

1.Шац М.М., Шепелев В.В., Алексеева О.И., Балобаев В.Т.  и др. Об инженерных и эколого-геокриологических проблемах градостроительства на Севере (на примере г.Якутска). СЕВЕР: Арктический вектор социально-экологических исследований, Сыктывкар, 2008, с.97-109.

2.Шац М.М Геоэкологические проблемы селитебных северных территорий.. // Теоретическая и прикладная экология», М.,  2009,  №3, с.46-51.

3.Шац М.М. Современное состояние городской инфраструктуры г. Якутска и пути повышения её надежности. // Геориск, М., 2011, №2, с.40-46.

4.Шепелев В.В., Шац ММ. Геоэкологические проблемы обводнения и подтопления территории г. Якутска // Наука и образование. — 2000. — №3. — С. 68-71.

5.Шац М.М.,Сериков С.И. Современное обводнение территории г. Якутска.// Наука и образование.,2009, №4, с.162-17.

6.Павлова Н.А., Сериков С.И. Роль техногенных барражей в системе формирования поверхностного стока на территории г.Якутска и их влияние на обводненность. – Научное обеспечение решения ключевых проблем развития г. Якутска. Якутск.,2010,  С. 106-110.

7.Шепелев В.В. Надмерзлотные воды криолитозоны. — Новосибирск: Академическое издание «Гео». — 2011. – с. 169.

8.Шац М.М. Хроника обрушения каменных зданий г.Якутска //Промышленная и экологическая безопасность, Ижевск, 2009, №8 (34), август, с.61-64.

9.Шац М.М. Изменение климата и его роль в надежности инженерных объектов в криолитозоне // Теоретическая и прикладная экология», М., 2011, №2, с.57-65.

10.Шац М.М., Скачков Ю.Б. Состояние городской инфраструктуры Якутска и его связь с изменением климата \\ Экология урбанизированных территорий, М., Изд. дом «Камертон», 2011, №4, с.18-23.

11.Лебедев А. Провалы грунта в Якутске в дальнейшем не исключены.Источник: nvpress.ru.  Электронный ресурс, код доступа: http://nvpress.ru/society/14448; дата обращения:02.06.2015  14:37.

12.Иванова Л.Г., Макаров Н.И. Криолотозона предъявляет требования // Направление — Дальний Восток, НАУКА / Проблемы и решения, №1 (1) Март 2009, с.21-27.

13.Сайт Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации – Мирового центра данных (ВНИИГМИ-МЦД). Источник: ВНИИГМИ-МЦД. Электронный ресурс. Код доступа: http://meteo.ru/; дата обращения – 10.09.2015.

М.М. Шац, к.г.н., вед. науч. сотр. Институт мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН, Якутск, mmshatz@mail.ru,

Ю.Б. Скачков, к.г.н., старший науч. сотр. Институт мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН, Якутск,

А.П.Черепанова, к.г.-м.н. кафедра мерзлотоведения СВФУ.