На зимних фотографиях Якутска есть деталь, которую трудно не заметить. Толстые трубы идут вдоль домов, пересекают дворы, поворачивают над дорогами и иногда поднимаются на такие опоры, что под ними спокойно проезжают машины. Для человека из средней полосы картина непривычная: почему всё это не спрятать под землю, как в большинстве городов?
Причина не столько в суровом морозе. Главная проблема находится под ногами. Тёплая труба может нагреть вечную мерзлоту, а оттаявший грунт — просесть. Для здания, дороги или самой теплотрассы это куда опаснее, чем не самый красивый вид надземных коммуникаций.
И Якутск здесь особенно показателен: толщина многолетнемёрзлых пород в районе города достигает нескольких сотен метров.
Под Якутском замёрзший грунт толщиной в сотни метров
Название «вечная мерзлота» немного сбивает с толку. Верхний слой земли летом всё-таки оттаивает, а зимой снова замерзает. Его называют сезонно-талым, или активным, слоем. Ниже находятся породы, которые остаются замёрзшими годами, десятилетиями и гораздо дольше.
В одной из изученных частей старого Якутска сезонное оттаивание составляло примерно 1,6–1,8 метра, тогда как общая мощность мерзлоты в районе города оценивается примерно в 250–422 метра. Причём это не просто очень холодная почва. В ней может находиться большое количество льда.
Пока такой грунт заморожен, он способен быть достаточно прочным основанием. Но если содержащийся в нём лёд начинает таять, свойства основания меняются. Вода уходит или перераспределяется, объём грунта уменьшается, появляются просадки.
Поэтому северное строительство во многом построено на необычном для более тёплых регионов принципе: грунт под сооружением стараются не согреть, а сохранить замороженным. Отсюда свайные дома с проветриваемым пространством снизу, специальные фундаменты — и те самые трубы над улицами.
Горячая труба под землёй может сама создать себе проблему
Представим обычную теплотрассу. По ней месяцами движется горячий теплоноситель. Даже хорошая изоляция не убирает теплопередачу полностью.
В обычном грунте потеря части тепла неприятна прежде всего с точки зрения энергетики. В вечной мерзлоте появляется ещё одна проблема: вокруг подземной трубы может постепенно формироваться зона оттаивания.
Исследования трубопроводов в мерзлотных районах действительно фиксируют такой эффект. Чем больше тепла поступает от трубы к окружающей породе, тем сильнее изменяется её температурное состояние. При оттаивании льдистых грунтов возможны просадка поверхности и деформация самого трубопровода.
Особенно неприятна авария. Если повреждённая труба начинает отдавать в грунт ещё и горячую воду, воздействие резко усиливается.
Современные правила проектирования тепловых сетей в районах вечной мерзлоты поэтому прямо требуют учитывать прогноз изменения грунтов, рассчитывать зоны оттаивания, отводить аварийную горячую воду от оснований сооружений и применять специальные решения при подземной прокладке.
Над землёй трубу проще отделить от мерзлоты
Самый очевидный способ уменьшить такое воздействие — физически убрать горячую магистраль из грунта.
Труба укладывается на отдельные опоры, между ней и землёй остаётся воздушное пространство, а сверху применяется теплоизоляция. Сама опора, конечно, тоже требует расчёта: нельзя просто поставить тяжёлую конструкцию на верхний слой, который каждое лето оттаивает.
У надземной схемы есть ещё одно практическое преимущество. Трубу видно. К ней проще добраться для осмотра и ремонта, а место утечки можно обнаружить быстрее, чем на глубоко проложенной трассе. В условиях Якутска это существенно: раскопать зимой промёрзший грунт и добраться до подземной коммуникации гораздо сложнее, чем работать с открытой эстакадой.
По действующим правилам надземные тепловые сети могут прокладываться на эстакадах и отдельных опорах. А если необходимо сохранить мерзлоту под зданием, для некоторых участков теплотрассы нормы специально предусматривают выход сети из-под земли на поверхность перед зданием.
Получается довольно необычная для южного города логика:
- тёплую трубу отделяют от замёрзшего грунта;
- теплоизоляция уменьшает потери тепла;
- опоры проектируют с учётом мерзлотных условий;
- аварийная вода не должна уходить под фундаменты;
- доступ к магистрали для ремонта остаётся сравнительно простым.
Но под землёй в Якутске трубы тоже есть
Иногда объяснение северных коммуникаций упрощают до фразы: «В вечной мерзлоте ничего нельзя закапывать». Это неверно.
В Якутске существует большая подземная инфраструктура. Исследователи Института мерзлотоведения отмечали, что в центральной части города инженерные сети местами залегают на глубине до 8–10 метров. Под землёй проходят, в частности, канализационные сети, кабели связи и электроснабжения.
Подземная теплотрасса тоже возможна, просто её устройство становится сложнее. В просадочных при оттаивании грунтах могут применяться вентилируемые каналы или тоннели, непросадочное основание, сваи, гидроизоляция и системы удаления аварийной воды.
Есть и довольно жёсткое ограничение: при сохранении грунта в замороженном состоянии обычная бесканальная укладка тепловой сети непосредственно в мерзлоту не допускается.
То есть трубы над Якутском — не единственно возможная технология. Это хорошо заметная часть целого набора инженерных решений.
Зачем трубы делают петли и странные повороты
Если внимательно рассматривать северные теплотрассы, можно увидеть ещё одну странность. Труба могла бы идти прямо, но внезапно делает большой П-образный изгиб или уходит в сторону, а затем возвращается обратно.
Это не обход какого-то невидимого препятствия.
Стальная труба при нагревании удлиняется, а при охлаждении сокращается. На коротком куске изменение небольшое, но на сотнях метров магистрали оно уже создаёт серьёзные усилия.
Поэтому прямому трубопроводу дают возможность немного «двигаться». Для этого используют повороты трассы и компенсаторы. Современные правила для тепловых сетей в районах вечной мерзлоты прямо предусматривают гибкие компенсаторы разных форм и использование поворотов трубопровода для компенсации теплового удлинения.
А высокие участки над дорогами имеют другую, вполне бытовую причину: коммуникацию приходится поднять так, чтобы она не перекрывала движение транспорта и людей.
В результате северная теплотрасса внешне может напоминать какой-то промышленный аттракцион из труб, хотя почти каждый изгиб имеет практическое назначение.
В Якутске мерзлоту изучали ещё в XIX веке
Город столкнулся с проблемой замёрзшей земли задолго до появления центрального отопления.
В 1827 году якутский купец Фёдор Шергин начал рыть шахту в надежде добраться до воды. Работы продолжались около десяти лет, а глубина выработки достигла примерно 116 метров. Воды Шергин не нашёл, зато шахта стала одним из важнейших ранних объектов изучения многолетней мерзлоты.
Позднее в Якутске появился Институт мерзлотоведения имени П. И. Мельникова, а в 1967 году его подземная лаборатория. Её галереи находятся на глубине от 5 до 12 метров, самая нижняя точка — примерно в 15 метрах от поверхности.
Инженерные решения постепенно переходили из науки в городское строительство. Якутская электростанция, построенная в 1937 году, стала крупным промышленным сооружением, основание которого проектировали с сохранением мерзлого состояния грунта. А развитие городских тепловых сетей началось позже: «Якутскэнерго» относит начало их строительства к 1961 году, когда теплотрассу провели к дому на нынешней улице Богдана Марлинского.
Сейчас следить за мерзлотой приходится ещё внимательнее
Северная инфраструктура рассчитана не просто на низкую температуру воздуха. Инженерам нужно знать, что происходит именно с грунтом на глубине.
В Якутске для этого создавали сеть геокриологического мониторинга. В исследовании города использовались 65 наблюдательных площадок со скважинами, большинство глубиной 10–11 метров, некоторые — до 30 метров.
Многолетние наблюдения показывают, что мерзлота не является абсолютно неизменной. На площадке возле шахты Шергина температура грунта на глубине 10 метров с 1934 по 2015 год выросла примерно на 3 °C. На других участках ситуация может отличаться, поскольку многое зависит от застройки, снега, растительности, воды и состояния инженерных сетей.
Есть и наглядный пример того, насколько чувствителен северный грунт к вмешательству. При наблюдениях за наземным водоводом в Центральной Якутии удаление леса и растительного покрова вдоль трассы за 25 лет сопровождалось повышением средней температуры грунта на глубине пяти метров примерно на 1,5 °C, увеличением глубины сезонного оттаивания на 1,1 метра и просадками поверхности до 0,5–1 метра.
Поэтому огромные трубы на опорах, которые приезжему человеку могут показаться временным и неуклюжим решением, на самом деле хорошо показывают главный принцип северного строительства. В Якутске мало просто защитить коммуникации от мороза. Иногда куда важнее защитить мерзлоту от самих коммуникаций.