Глава 5. НАЛЕДИ

В 1902 г. С. Подъяконов - один из первых исследователей наледей Сибири писал: "Соединяя в себе, казалось бы, несовместимые явления - как 40° мороза, промерзшие до дна реки и тут же затопляемые водой долины или 35° жары и ледяные поля, - наледь представляет для непривычного путешественника как бы странное противоречие природы и потому возбуждает к себе неизменно глубокий интерес".

У дорожников наледи вызывают не только глубокий интерес, но и постоянное беспокойство.

При гололедице дорога покрывается тонким, ровным слоем льда. Такой лед очень затрудняет движение автомобилей, однако его можно удалить или уменьшить скользкость обледеневшей дороги, рассыпая песок. Но представьте себе, что на дорогу выползает ледяной язык толщиной 0,5 м и более. К тому же это не узенькая полоска льда, а целая ледяная река, захватывающая десятки и сотни метров дороги. А если таких рек много и они ведут наступление на дорогу в разных местах на протяжении многих километров?

Такие трудности создаются наледями.

В 1942 - 1943 гг. в Северной Америке была построена дорога протяжением более 2400 км от г. Даусои-Крик (провинция Британская Колумбия в Канаде) до г. Фербенкса на Аляске. Область, через которую проходит дорога, имеет суровый кли-мат. Уже в первую зиму во многих местах появились наледи. Толстый ледяной покров образовался на значительном протяжении дороги. Лед заполнил боковые канавы и дорожные трубы. Некоторые участки, особенно в местах пересечения крупных рек, становились иногда совершенно непроезжими. Ввиду большого ущерба, нанесенного наледями, дорогу на следующий год пришлось перестраивать. Почти 750 км ее проложили по новому направлению, перестроили многие мосты и трубы, построили специальные сооружения для защиты от наледей.

Наледь представляет собой скопление льда или замерзающей воды на ледяном покрове реки, мерзлом грунте или другом водоупорном слое. Наибольшее распространение наледи имеют в районах вечной мерзлоты.

Вечная мерзлота - это мерзлый, не оттаивающий летом грунт, пронизанный кристаллами льда и как бы сцементированный ими. Площадь, на которой встречается такой грунт, огромна. По подсчетам выдающегося советского ученого М. И. Сумгина, она занимает от 20 до 25% площади всей земной суши. В северных районах СССР вечная мерзлота простирается на большой территории без каких-либо разрывов. Южнее, среди широких пространств, занятых вечной мерзлотой, встречаются словно островки небольшие участки обычного промерзлого грунта. Еще южнее вечная мерзлота сама встречается в виде островков среди обширных пространств немерзлого грунта.

Верхняя граница вечной мерзлоты чаще всего залегает на глубине 1 - 2 м от поверхности земли. Мощность мерзлого пласта бывает различна: в некоторых районах она достигает сотен метров, в других измеряется десятками метров, а в южной части территории, занятой вечной мерзлотой, составляет всего лишь несколько метров.

Слой грунта, лежащий над вечной мерзлотой, замерзает зимой, а летом оттаивает. Его называют деятельным слоем. При глубоком залегании вечной мерзлоты промерзание деятельного слой, может не достигнуть вечномерзлого грунта. Тогда между вечной мерзлотой и деятельным слоем зимой остается слой талого грунта. Если же вечномерзлый грунт залегает неглубоко, то деятельный слой зимой при промерзании может соединиться с ним. В этом случае вечную мерзлоту называют сливающейся.

Название "вечная мерзлота" - условное. Не всегда пласт грунта, образующий ее, был мерзлым. Она возникла в результате того, что земля в районах, где зимы очень суровы и продолжительны, отдавала из года в год больше тепла, - чем получала. Таким образом, произошло как бы накопление холода в земле, вызвавшее образование в ней вечно мерзлой толщи.

На дорогах, проходящих, в районах вечной мерзлоты, всегда приходится вести борьбу с наледями. Наледи вызываются поверхностными водами, подземными водами или совместным воздействием тех и других. Образуются наледи на реках и ручьях, у выхода ключей на поверхность земли, а также в местах, где грунтовые воды залегают на небольшой глубине.

На реках и ручьях наледи появляются при сильном увеличении толщины ледяного покрова и промерзании русла. Нарастание льда может происходить сверху со стороны ледяного покрова и снизу, если образуется донный лед. При этом русло может сузиться до такой степени, что станет недостаточным для пропуска всей воды, которую несет поток. Часть воды выдавливается на поверхность ледяного покрова, разливается и, соприкасаясь с холодным воздухом, замерзает. Через некоторое время вода вновь прорывается через ледяной покров и снова разливается и замерзает. В результате таких повторяющихся прорывов и замерзаний образуются наледные бугры (рис. 30), достигающие порой высоты 3 - 4 м. Они обычно вытянуты в направлении течения реки.

Рис. 30

Наледные бугры часто взрываются с сильным шумом, выбрасывая воду и куски льда, масса, которых достигает порой нескольких десятков тонн. Такой поток, устремляясь вниз по реке, может причинить значительные повреждения мосту или другому сооружению.

Образование наледи может быть вызвано также полным промерзанием потока в каком-либо месте или образованием зажоров вследствие скопления шуги (мелкого рыхлого льда, появляющегося перед ледоставом или при ледоходе). Такие зажоры обычно возникают на крутых поворотах, на перекатах или в узких местах русел. Промерзание ручьев и речек происходит чаще всего в мелких местах, где вода течет широким тонким слоем и поэтому наиболее сильно охлаждается.

Зародившись в русле реки, наледь может выйти затем на пойму и покрыть ее льдом. Некоторые речные наледи достигают очень больших размеров, а занимаемая ими площадь доходит до нескольких квадратных километров. Над рекой, где имеется наледь, часто стоит туман, как над горячим источником. Это объясняется разницей температур на-ледной воды (около 0°С) и воздуха (30 - 40°С мороза). Пар, выделяющийся из наледной воды, охлаждаясь, сгущается в мелкие капельки тумана.

В местах, уделенных от рек и ручьев, также образуются наледи, часто называемые грунтовыми. Они создаются подземными водами, которые выходят на поверхность, когда возникает причина, препятствующая их движению в грунте (рис. 31). В земле.вырыли канаву; в том месте, где вырыта канава, уровень промерзания понизился и достиг вечной мерзлоты или какого-либо другого водоупорного слоя. Образовалась непроницаемая ледяная перемычка, преградившая путь грунтовой воде, движущейся по слою талого грунта между водоупорным слоем и нижней границей промерзшего зимой деятельного слоя. Прибывающая грунтовая вода накапливается у ледяной перемычки и ищет себе выход. Под ее давлением земля вспучивается, образуется бугор, внутри которого находятся лед и вода. Давление воды продолжает увеличиваться, и бугор, наконец, дает трещину, через которую вода прорывается наружу, растекается и замерзает, превращаясь в лед. Лед закрывает дальнейший выход воде, которая продолжает накапливаться. Опять увеличивается давление, бугор растет, дает трещину, и вода изливается на земную поверхность. Этот повторяющийся процесс приводит к росту больших ледяных курганов, которые так же, как и речные наледи, могут с шумом взрываться, выбрасывая лед и воду.

Рис. 31

В местах выхода ключей на земную поверхность также образуются наледи. Чаще всего они встречаются в логах и долинах, распространяясь за пределами районов, где имеется вечная мерзлота. Ключевые воды обычно текут по дну логов мелкими ручейками, огибая камни с небольшой скоростью. Это способствует их быстрому промерзанию при наступлении морозов. Ледяная перемычка преграждает путь воде, которая по мере накопления пробивает себе выход на поверхность, растекается тонким слоем и опять замерзает. В результате наледь быстро растет и может достигнуть больших размеров.

Очень большие наледи, не тающие летом, имеются в Якутской АССР. В Северо-Восточной Якутии В. А. Федорцев* обнаружил ряд многолетних наледей: Болбукскую (в районе Верхоянского хребта), занимавшую площадь 25 га при средней толщине льда 0,8 м; Верхне-Саккырырскую (в бассейне р. Яны) площадью 30 га при толщине льда 1,2 м; Тодакан-Чистяйскую (в районе хребта Тасхаяхтах), покрывавшую площадь около 10 км², толщина льда которой превышала 2 м.

*(Федорцев В. А. О вечной мерзлоте и наледях в Северо-Восточной Якутии. Труды комиссии по изучению вечной мерзлоты)

Самая крупная в мире наледь - Большая Момская находится в долине р. Момы, притока р. Индигирки (Якутская АССР). Ее площадь составляет 160 - 180 км², максимальная мощность льда около 7 м, объем скопившегося в ней льда 0, 25 км³. Суммарный же объем льда всех наледей Северо-Востока СССР достигает почти 25 км³, что превышает объем всех ледников этого района нашей страны.

Наиболее часто встречаются наледи в горных районах на склонах, в предгорных долинах и во впадинах между гор.

Наледи могут образоваться и в результате таяния снега зимой. Такие наледи можно наблюдать на Дальнем. Востоке вне территории вечно-мерзлых грунтов. Одна из особенностей дальневосточного климата заключается в том, что количество тепла, получаемое зимой в результате прямого нагрева солнечными лучами в южных областях Дальнего Востока СССР, весьма велико. Например, в районе Владивостока среднее количество тепла, получаемое поверхностью, перпендикулярной к солнечным лучам, составляет в январе 12,3 ккал/см², а в июле - всего 6,7. Это объясняется безоблачной погодой в зимний период. Температура воздуха, однако, низкая, так как северо-западные ветры, дующие зимой с материка (муссоны), приносят холод из Арктики. На склонах сопок, обращенных к югу и сильно облучаемых солнцем, снег днем тает, особенно, если эти склоны защищены от ветра. Талая вода стекает мелкими ручейками по склонам и в затененных местах, куда не попадают солнечные лучи, замерзает, образуя наледи. Температура на поверхности земли в тени значительно ниже, чем на склонах, облучаемых солнцем. Наледи, вызываемые таянием снега, имеют небольшие размеры и часто образуются у зданий и инженерных сооружений в создаваемой ими тени (рис. 32).

Рис. 32

Наледи наносят большой ущерб дорогам и дорожным сооружениям.

В. Г. Петров, обследовавший в 1928 г. Амуро-Якутскую автомагистраль, обнаружил на ней наледей, занимавших площадь более 660 тыс. м² и имевших протяжение вдоль дороги свыше 16 км. Часть из этих наледей покрывала дорожное полотно слоем льда толщиной 1 м и более, образуя ледяные косогоры и наледные курганы. Вода из наледей переливалась через дорогу, затрудняя проезд. Вот, например, что он писал о наледи на 89 - м километре дороги: "... здесь место совершенно непроезжее: дорога загромождена грандиозными буграми и косогорами; высота наледных косогоров такова, что ближайшие телеграфные столбы залиты льдом почти наполовину. Наледи создали угрозу и дорожным зданиям. В одну из ночей наледная вода "запечатала" льдом двери дорожного дома на 65 - м километре, и, чтобы выпустить жильцов, пришлось провести большую работу по сколке льда".

Многие неприятности создают речные наледи. Особенно часты наледи у мостов и труб. Это объясняется тем, что при их постройке изменяется русло, по которому течет поток, возникают мерзлотные перемычки в грунте, меняются условия промерзания водного потока и грунтов. Наледь заполняет трубы и образует бугры под мостами. Течение водного потока стесняется льдом, вода ищет выход на поверхность, разливается топкими слоями, быстро охлаждается и замерзает. Этот уже знакомый нам процесс вызывает быстрый рост речных наледей, которые особенно опасны в непосредственной близости к мостам и трубам.

В настоящее время разработан ряд мер борьбы с наледями. Выбор их зависит от условий, которые приводят к образованию наледей. Борьба с наледями начинается еще при изысканиях дороги. Тщательно изучают район проложения дороги, обследуют места, где имеются наледи, выясняют причины, которые их вызывают, определяют, как может повлиять постройка дороги и дорожных сооружений на промерзание местности и образование наледей. Изыскатель напоминает врача, который обследует больного, ставит диагноз и решает, как же вылечить от болезни.

Если обнаружены места, на которых могут образовываться наледи, то дорогу лучше проложить в обход их. Рекомендуется, например, обходить места, где изыскатели встречают на трассе будущей дороги уже имеющиеся наледи, особенно если толщина льда значительна (более 25 см). Чтобы избежать появления новых наледей, нужно не нарушать выявленных на трассе естественных условий движения грунтовых вод. Из этих соображений в тех районах, где возможно образование наледей, дорогу лучше всего прокладывать по водоразделам или по таким местам, где подземные водоносные слои наклонены в сторону от дороги. По косогорам, на которых водоносные слои имеют наклон в сторону дороги, прокладывать дорогу нельзя. На таких косогорах грунтовая вода будет остановлена мерзлой перемычкой, образующейся у дороги, что вызовет возникновение наледей. Ручьи и речки в районах, где возникают наледи, нужно пересекать в местах с наибольшей глубиной русла, там, где нет раскидистых каменистых перекатов, резких поворотов и уширений водотоков. Необходимо избегать мест со староречь-ями, островами, отмелями, низкими заболоченными поймами, протоками.

Чтобы наледи не образовались во время строительства дороги, очень важно также не нарушить нормальный сток поверхностных вод. Нельзя, например, разрешать прокладку временных дорог по льду водотоков выше места строительства моста. Такие дороги могут вызвать промерзание ручьев и речек, по ледяному покрову которых они проложены. Были случаи, когда небольшие водотоки промерзали даже после одиночного прохода трактора по льду. Нельзя загромождать материалами русло у строящегося моста - вечная мерзлота откликается на это, как живое существо, образуя в таких местах наледи.

В. Г. Петров описывает случай разрушения моста речной наледью на Амуро-Якутской магистрали в 1928 г. Наледь образовала у моста ледяной бугор огромных размеров. Продолжая расти, бугор подпер мост, надавил на него и опрокинул набок, прервав проезд.

В 1934 г. на той же магистрали наледи деформировали мост, вызвав сильное выпучивание ряжевых опор, отчего пролетное строение стало "горбатым", врубки расстроились, прогоны разошлись, мост стал шатким, и скорость движения по нему пришлось ограничить до 3 км/ч.

На дороге Аляска-Канада, о которой упомянуто в начале главы, по данным Игера и Прайора, большинство наледей образовалось у мостов и труб. Зимой 1943/44 г. западнее г. Танакросса (Аляска), где дорога была проложена по болотистым участкам, водопропускные трубы были закупорены наледями. Примыкающая к дороге местность с верховой стороны начала затопляться водой. Затем вода замерзла. Продолжающийся приток воды вызвал подъем ледяного покрова вместе с вмерзшими в него кустами, мелкими деревьями, корнями и травой. Прорвавшаяся вода затем устремилась к дороге, затопила ее и вызвала сильное обледенение.

В ряде случаев для борьбы с наледями используют те же.природные процессы, которые их порождают. Например, подземный ток грунтовых вод, направленный к дороге, можно перехватить и искусственно создать наледь в безопасном для дороги месте. С этой целью на достаточном расстоянии от дороги роют канаву или просто обнажают полосу земли, удаляя с нее мох, кустарники счищая снег, чтобы ускорить в этом месте промерзание грунта. Под канавой или очищенной полосой появляется мерзлая перемычка (мерзлотный пояс), соединяющаяся с вечной мерзлотой и преграждающая путь грунтовой воде. Вода выходит на поверхность и образует наледь в таком месте, где она не представляет опасности для дороги.

Наледь можно также задержать, не допустив ее к дороге. Для этого на пути наледи возводят различные заграждения - земляные дамбы и валы, заборы, бревенчатые барьеры, ставят переносные щиты, отсыпают валы из снега, который обледеневает после того, как пропитывается водой. Заграждения должны быть прочными и иметь достаточно большие размеры, чтобы сдержать напор наледной воды и льда. Различного рода валы - земляные или снежно-ледяные могут быть использованы и для того, чтобы отвести воду наледи в сторону. Поскольку наледь порождается грунтовой водой, нередко осушают местность, устраивают дренажи, подземные воды, питающие наледь, отводят по канавам в сторону.

Чтобы дорога не затоплялась наледной водой и льдом, можно устроить достаточно высокую насыпь.

Для успешной борьбы с речными наледями в первую очередь устраняют причины, вызывающие их образование. Важно, например, воспрепятствовать охлаждению воды и замедлению ее течения. Для этого летом углубляют и спрямляют русло, расчищают перекаты. Иногда одних этих мер оказывается достаточно.

Русла речек и ручьев утепляют, сажая по берегам кустарник и укладывая дерн. Над небольшими речками, ручьями и канавами можно устраивать настилы из жердей, на которые набрасывают хворост, валежник или лапник, а сверху кладут мох или торф слоем 0,5 м. Вместо мха и торфа можно забросать хворост снегом. Рыхлый снег плохо проводит тепло. Известно, что снежный покров на полях спасает озимые от вымерзания.

Если снежный покров имеет толщину 50 см, то при температуре воздуха - 30°С температура на уровне почвы будет всего - 3°С. Поэтому снег - одно из лучших утепляющих средств. Чтобы накопить снег на утепляемом русле, иногда ставят снегозадерживающие щиты. У этих щитов, так же как и при защите дороги от заносов, образуется снежный вал, который покрывает хворост, лежащий на жердевом настиле (рис. 33). Если русло утеплено, на речке не появится толстый ледяной покров, сечение потока не стеснится льдом и устранятся причины, вызывающие наледь. (рис. 34).

Рис. 33

Рис. 34

Все эти меры борьбы с наледями позволяют довольно успешно защищать дороги и обеспечивать движение по ним зимой. Например, большой опыт борьбы с наледями накоплен работниками автомобильной дороги Большой Невер - Якутск (бывшей Амуро-Якутской магистрали, по которой в 1928 г. с таким трудом передвигался В. Г. Петров). Здесь широко применяют мерзлотные пояса, снежные валы и ледяные стенки для преграждения наледям пути к дороге и отвода в сторону наледных вод. Остроумное устройство придумано для беспрепятственного пропуска наледнои воды через искусственные сооружения (рис. 34). Керосин или дизельное топливо из расходного бака через капельницу попадает в приемную часть обогревающего трубопровода и в ней сгорает. Отходящие газы отдают свое тепло наледнои воде, которая благодаря этому не замерзает и свободно проходит через искусственное сооружение.