Игарское опытное подземелье в вечномерзлой толще. Автор В. Ф. Тумель, 1945 год
Поиск
Выбрать язык
Анонс статей

postheadericon Игарское опытное подземелье в вечномерзлой толще. Автор В. Ф. Тумель, 1945 год

Время чтения статьи, примерно 62 мин.

 Merzl_6_bigАКАДЕМИЯ НАУК СОЮЗА ССР ИНСТИТУТ МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЯ им. В. А. ОБРУЧЕВА

Автор В. Ф. Тумель, 1945 год. Игарское опытное подземелье в вечномерзлой толще

Издательство академии наук СССР. МОСКВА — 1945 — ЛЕНИНГРАД

Примечание: Слово [эксплуатация] в 1945 году имело написание – [эксплоатация], не сочтите за ошибку.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Публикуемая работа касается почти совершенно не освещенного в печати вопроса использования для целей хранения естественного холода, аккумулированного в вечномерзлых грунтах. Как известно, вечномерзлые грунты (вечная мерзлота в просторечии) занимают территорию немногим меньше половины СССР. В полярных и субполярных районах они имеют сплошное распространение и отличаются сравнительно низкими температурами. Казалось бы, что при наличии таких огромных возможностей использование вечной мерзлоты для целей холодного хранения должно было иметь весьма широкое и разностороннее распространение. В действительности же этого нет.

Вечномерзлые грунты используются для холодного хранения ничтожно мало по сравнению с назревшими потребностями в нем. Но и этот ограниченный опыт не изучен сколько-нибудь обстоятельно и очень скудно освещен в литературе. По этому большому вопросу имеется лишь несколько беглых, попутных сообщений различных авторов. Одно из наиболее обстоятельных таких сообщений сделано В. Серошевским в его известном труде «Якуты» (т. I). Все они относятся к использованию вечной мерзлоты для хранения продовольственных продуктов в небольших размерах при индивидуальном потреблении. Попытка использования вечномерзлой толщи для устройства в ней холодного хранилища промышленного значения впервые сделана в 1932 г. в Усть-Порту на р. Енисее.

В последующие годы несколько подобных сооружений было устроено еще в некоторых пунктах Сибирского севера. Но это были единичные, разрозненные попытки, не имевшие под собой научного обоснования и преследовавшие узко практические цели.

Широкому использованию вечномерзлой толщи для устройства в ней подобных хранилищ препятствовала и препятствует неизученность этого дела, отсутствие разработанной и проверенной техники устройства и эксплоатации хранилищ в вечной мерзлоте.

Поэтому весьма своевременной явилась организация в 1936 г. на Игарской мерзлотной станции Института мерзлотоведения обстоятельной экспериментальной работы в этом направлении, проводившейся вначале П. И. Мельниковым, а затем Л. А. Мейстером и В. Ф. Тумелем. С этой целью в начале 1936 г. на территории Игарской мерзлотной станции было устроено первое опытное подземелье-хранилище небольшого объема (22 м3). В конце 1936 г. там же начато было устройство второго опытного подземелья значительно больших размеров, чем первое (468 м3).

Настоящая брошюра посвящена описанию устройства этих подземелий и проведенных в них исследований. Содержащиеся в ней фактические материалы и основанные на них рекомендации и нормативы, конечно, не могут претендовать на исчерпывающее освещение вопроса, тем более, что и в конструкции подземелий ив производстве работ по их устройству имелись существенные недочеты, отмеченные автором. Тем не менее, публикуемые данные являются весьма ценным и необходимым материалом при проектировании, устройстве и эксплоатации подземных холодных хранилищ в районах распространения устойчивой вечной мерзлоты с достаточно низкими отрицательными температурами.

А. Чекотилло  

  1. ВВЕДЕНИЕ

В вечномерзлой толще имеется значительное число штолен и шахт и в большом количестве делались мелкие выработки горнопромышленного значения. Для строительства же подземных сооружений иного назначения эта толща используется пока лишь кустарно и в единичных случаях. А между тем, перспективы здесь большие и разнообразные.

В 1927 г. М. И. Сумгин [9] высказал мысль о сооружении в вечномерзлой толще огромного музея-холодильника, рассчитанного на эксплоатацию в течение тысячелетий. Он намечал даже общие черты этого оригинального научно-исследовательского сооружения, определяя объем его до 97 тыс. м3 и стоимость до 25 млн. руб. золотом. Глубина заложения музея намечалась от 20 до 80 м. Но это предложение было только идеей, не обоснованной должным опытом; в вечномерзлой толще имелись в то время, кроме транспортных и непосредственно горнопромышленных сооружений, лишь неглубокие ямы и небольшие погреба для хранения пищевых продуктов индивидуального пользования. В тридцатых годах текущего века появляются первые небольшие подземелья для хранения более значительных количеств пищевых продуктов. Такие холодные склады имеются теперь в низовьях р. Енисея, в устье р. Хатанги, в сел. Кюсюр (на р. Лене), в пос. Анадырь и в нескольких других пунктах. Одним из первых (1932 г.) построено рыбохранилище в пос. Устьенисейский порт. Оно было спроектировано М. М. Крыловым, но, по словам его, построено совсем не по проекту.

В 1936 г. П. И. Мельниковым на Игарской мерзлотной станции было положено начало строительству подземелья в вечномерзлой толще с научно-исследовательским назначением. С этих пор начались систематические наблюдения над этим подземельем, позволившие уяснить ряд вопросов строительства и эксплоатации, а также значения таких подземелий. 

Подземные сооружения в вечномерзлой толще должны быть разделены, прежде всего, на сооружения в скальных породах и на сооружения в породах, становящихся при оттаивании рыхлыми. Вторая группа пород, как правило, содержит значительное количество льда. Оба типа сооружений должны пересечь деятельный слой, а иногда и таликовые слои. Но в пределах самой вечномерзлой породы проходка в обоих случаях будет существенно различной. В скальных грунтах она не будет отличаться от проходки их при отсутствии вечной мерзлоты.

Совсем другое дело проходка нескальных пород. Здесь общего с талыми породами будет очень мало. Условия эксплоатации подземелий в нескальных вечномерзлых толщах также будут более своеобразны, чем в скальных грунтах. В настоящей работе имеются в виду подземные сооружения именно в нескальных вечномерзлых породах.

Два опытных подземелья Игарской мерзлотной станции являются сооружениями этого типа. Малое — объемом около 22 м3, было построено П. И. Мельниковым в марте — апреле 1936 г. Большое — объемом в 468 м3, начатое сооружением в конце 1936 г., в основном было закончено к весне 1941 г. Однако некоторые работы строительного характера производились еще и в феврале 1942 г. Работы по этому объекту, начатые П. И. Мельниковым при участии Л. А. Мейстера, были продолжены последним при участии Г. О. Лукина. С ноября 1941 г. наблюдения велись мною.

На основе подробного проектного задания П. И. Мельникова и Л. А. Мейстера, летом 1939- г. М. М. Крылов, при участии Н. С. Осташева, разработал проект расширения осуществленной к тому времени части большего подземелья. Подземелье рассматривалось в данном случае как подземная лаборатория, для которой намечались и некоторые вопросы, строительные и эксплоатационные, подлежащие изучению на ней, как на опытном объекте.

По мере накопления материалов менялись и сами представления о возможностях использования подобных сооружений. Малое подземелье строилось как ледник, т. е. как небольшое хранилище, обеспечивающее, за счет запасов холода в вечномерзлой толще, близкие к нулю, но все же отрицательные температуры воздуха в неги на протяжении всего года. В первую очередь на опыте малого подземелья имелось в виду установить: а) возможности проходки вечномерзлых грунтов, б) устойчивость помещений в них без применения крепления, в) условия защиты деятельного слоя вокруг входа от сезонного оттаивания и г) способы защиты подземелья от попадания в него грунтовых, поверхностных и атмосферных вод. 

При строительстве большего подземелья те же вопросы были углублены. Здесь строителей интересовали, помимо возможностей дополнительного охлаждения грунтов за счет зимней вентиляции, вопросы, связанные с задачей использования подобных подземных галлерей в качестве удобных городских транспортных путей, существенно облегчающих в условиях Заполярья движение по городу в зимнее время, время ветренное и снежное.

В записке М. М. Крылова совершенно правильно отмечено, что изучению подлежит прежде всего процесс самого строительства и охлаждения стенок опытного подземелья. К сожалению, эти и некоторые другие соображения были высказаны лишь в самой общей форме и до недавнего времени не находили должного отражения в плане работ по опытному подземелью. А между тем очевидно, что это объект, подлежащий изучению с момента закладки его. И условия строительства, и эксплоатация должны возможно шире и разностороннее .осветить пути осуществления подобных работ уже всецело в прикладных целях.

О возможностях и принципах строительства подземных сооружений -различного назначения удобнее сказать после рассмотрения имеющихся объектов.

Стремясь облегчить решение подобных вопросов, я попытался собрать соответствующие материалы по игарским подземельям и, высказывая по ним свои соображения, параллельно оценить имеющие по этим вопросам суждения. При этом фактический материал хотя и сжат, но приводится с возможной полнотою и, как правило, предшествует общим рассуждениям.

В печати до, сих пор о подземельях опубликованы лишь немногие строки. Игарские же наблюдения использованы только в рукописях П. И. Мельникова [7,8]. Но и эти работы более полно характеризуют лишь малое подземелье, о большом же даются только первоначальные сведения. Не повторяя всего обработанного другими материала, я, все же, в меру необходимости привожу и его.

Оба опытных Игарских подземелья построены на площадке мерзлотной станции, находящейся в северо-западном конце старой части города. Местность представляет собою пологий склон в ЮЮЗ направлении, в сторону р. Енисея. От площадки до Игарской протоки его — около 750 м. Над меженным уровнем вод в реке она возвышается на 40—42 м. В настоящее время местность здесь довольно сухая. Но с восточной стороны проходит небольшая полоса стока весенних и дождевых вол, а с севера и с северо-запада площадка ограничена более значительным стоком из мелких заросших небольших озер. В летнее время здесь постоянно 7 струится небольшой ручеек, а зимою сосредоточиваются мощные снежные накопления.

Площадка сложена мощными толщами тонкослоистых отложений ленточного типа. Ленточные пылеватые суглинки и глины местами переходят в пылеватые супеси, а местами в них включены значительные линзы мелкого пылеватого песка. Песчанистая линза, вскрытая в разрезе подземелья, выглядит как участок заполнения размыва в основной ленточной толще. Здесь был вскрыт также наносник, большие валуны и череп ископаемой лошади. Всю эту толщу я отношу к основным отложениям второй Енисейской террасы в районе г. Игарки.

Вечная мерзлота на площадке залегает до глубины 30-35 м. Деятельный слой достигает 1.8 – 2,2 м. Местами, в отдельные годы, вечномерзлая толща бывает отделена от слоя сезонного промерзания небольшими таликовыми прослойками. Льдистость вечномерзлой толщи большая, а температуры относительно высокие. На площадке, в связи с экспериментальными работами, эти температуры различны, но, как правило, уже на глубине 5-10 м они составляют всего несколько десятых градуса холода. Годовые колебания температур на этих глубинах измеряются одной-двумя десятыми градуса. Такова самая общая картина, которая в дальнейшем, в меру надобности, будет уточнена.  

II. ПОСТРОЙКА

1


Фиг. 1. План площадки с подземельями. Пунктиром показаны, контуры подземелий. В северо-восточной части площадки показаны границы ложка. МОП — малое опытное подземелье; Ш 8 и 9—шахты большого; 2 и 5 —курганы вентиляционных скважин камер II и V; I — основные скважины площадки с естественными травяным и снежным покровами; II — основные скважины оголенной зимою и летом площадки; III — площадка, летом очищаемая от травяного покрова; остальные цифры — номера скважин.

На фиг. 1 показан схематический план площадки в ее современном виде. Скважины № 437 и № 439 находились в центре площадок, в течение 1940—1941 гг. обнаженных от дернины и покрытых: западная, 10х10 м,—опилками и восточная, 7х7 м, — навозом. Эти площадки просуществовали лишь с апреля 1940 г. по май 1941 г. В какой-то мере это обстоятельство, несомненно, отразилось на температурном режиме прилежащей части большого подземелья, но, конечно, незначительно.

Малое подземелье достаточно иллюстрируют план и разрезы фиг. 2. Оно представляет собой небольшую неглубокую траншею, переходящую на одном конце в шурф глубиною 5.25 м. В боковой стенке шурфа, у дна его, вырыт небольшой горизонтальный штрек. Строительство осуществлено в основном открытыми работами.

Работы были выполнены быстро — в течение месяца, начиная с марта 1936 г. Чрезвычайно неудачно устроен вход. Это узкий люк из маленькой будки, доступной лишь для людей умеренной комплекции. Теплоизоляция деятельного, слоя и гидроизоляция всей входной части видны из чертежа.

В имеющихся материалах не сохранилось сведений о скорости разработки мерзлых грунтов и производительности труда. Известно только, что работы велись вручную, с помощью ломов и одноконечных кайл. Выработанная порода подгребалась лопатами и вначале выбрасывалась, а в дальнейшем извлекалась с помощью бадьи и ручного ворота.

Та же техника имела место и при строительстве большого опытного подземелья.

Большое подземелье показано на фиг. 3 и 4. Строительство его велось на протяжении нескольких лет с большими перерывами. Все строительные работы осуществлялись в зимнее время. 13/XII 1936 г. была начата восточная шахта, так называемый шурф № 8. В начале февраля 1937 г. приступили и к западной шахте — шурфу № 9. На глубине 8.65 м первый шурф и на 6.94 м второй были приостановлены и в них начаты встречные штреки сводчатой формы, размерами: по высоте в 1.8 м западный и в 2 м — восточный, при ширине первого в 1.0 м и второго – 1.5 м. В апреле подземные работы были приостановлены до ноября, а весною этого же года над шахтами  построены временные покрытия. Капитальные же надстройки были установлены лишь весною 1938 г. С временным покрытием в 1937 г. несколько запоздали, что привело к некоторому затоплению шахты № 8 в первомайские дни. Образовавшийся на дне ее лед полуметровой мощности впоследствии был удален. Около 10/III 1938 г. встречные штреки обеих шахт сомкнулись, после чего дальнейшие работы были приостановлены более чем на 1 1/2 года.

2

Фиг. 2. Малое опытное подземелье. I — план; II — продольный разрез входной части; III — продольный разрез основной части: 1 — входные люки; 2 —входная траншея, 3 — шурф, 4 — штрек, 5 — вытяжка, 6 — входная будка, 7 — пылеватый суглинок из отвалов, 8 — опилки, 9 — досчатая крыша с толевой прокладкой, 10 — балки, на которых уложен настил, 11— досчатый настил.

Лишь 3/I 1940 г. приступили ко второй очереди работ. К 19/III шахта № 9 и оба штрека были расширены до существующих размеров и 31/III начата проходка камеры № 5. Однако до весны была пройдена лишь небольшая часть этой камеры и установлены перегородка и дверь, отделяющие камеру от коридора. Проходка камер возобновилась 16/ XI 1940 г., когда были начаты камеры I и III.

3

Фиг. 3. План большого опытного подземелья. I — V — номера камеру. VI—коридор. VII— уборная. VIII и IX — шахтные колодцы № 8 и №9; 1 — опилочная засыпка досчатых перегородок, 2—ниши, 3 — вентиляционные скважины в сводах камер V и II, 4 — вертикальные температурные скважины в полу, 5—шпуры для температурных наблюдений, 6—горизонтальные температурные скважины в стенках, 7—места наблюдений за температурой воздуха; арабские цифры около значков — номера точек наблюдений.

Вскоре было приступлено к проходке и остальных двух камер — IV и II. На этот раз работы велись с перерывом всего в один месяц (февраль 1941 г.) и в конце марта — первой половине апреля 1941 г. все 5 камер были закончены, отделены от коридора перегородками с дверьми и, также как и коридор, облицованы тонким слоем льда (путем обрызгивания водою). Этим и закончилось основное строительство.

В ноябре 1941 г. в камере III была установлена дополнительная мощная перегородка, показанная на фиг. 3.

Все перегородки состоят из двойной тонкой досчатой обшивки, засыпанной опилками. Обшивка укреплена на раме, заклиненной в грунте. В феврале 1942 г. в боковой стене шахты № 8 была устроена уборная, а в шахте № 9, через которую осуществляется вход, сделаны более удобные лестницы, что потребовало устройства ниши и некоторых срезок грунта. В феврале же 1942 г. в сводах камер V и II просверлено по 8″ скважине вентиляционного назначения.

4

Фиг. 4. Продольный и поперечный разрезы большого опытного подземелья. Основной разрез по оси коридора. Ниже — через камеры V и II, по продольной оси их. По сторонам разреза камер — поперечные разрезы шахтных колодцев № 9 и № 8, их укрытий и входных будок. 1 — засыпка из пылеватого суглинка отвалов; 2 – опилочная засыпка; 3 — точки наблюдений за температурой грунта; 4 — точки наблюдений за температурой воздуха; над камерами V и II показаны вентиляционные вытяжки.

 

Весною скважины были оборудованы вытяжками: из камеры V капитальной, а из II — временной, в вице 6″ трубы (фиг. 4 и 5). В результате перечисленных работ возникло сооружение в виде двух неглубоких шахтных колодцев, соединенных коридором с четырьмя камерами к югу и одной к северу от него.  

5

Фиг. 5. Площадка с подземельями. Вид с запада. Впереди вентиляционная вытяжка камеры V. За ней видно малое подземелье, а еще дальше — шахта № 8 большего подземелья. (Фото В. Ф. Тумеля)

Всего было вынуто 475 м3 мерзлого грунта. Исключая объем перегородок, кубатура всех помещений составила 468 м3. Распределение этой кубатуры на основное и вспомогательные помещения характеризуется следующими цифрами:

6

Из общей поверхности мерзлого грунта 204 м2 приходится на земляные полы. Поверхность деревянных перегородок около 87 м2.

Приведенные данные характеризуют сооружение как весьма несовершенное: лишь около 36% общего объема, приходится на основные помещения. Правда, этот процент может быть резко увеличен без увеличения вспомогательных помещений. Но очевидно, что относительный объем их чрезмерно высок. Показательно также, что в камерах отношение поверхности к емкости более удачное — более высокое. Из общего объема подземелья на камеры приходится около 36% и в то же время более 39% общей поверхности в грунте. Это, несомненно, положительное обстоятельство: чем больше поверхность подземного холодного помещения при постоянном объеме, тем устойчивее температуры в нем и спокойнее его тепловой режим.

Но на этих вопросах я остановлюсь в следующих разделах.. Здесь же следует учесть строительный опыт. Как уже отмечалось, до ноября 1941 г. подземелье, к сожалению, не имело своего дневника. Строительную историю его пришлось восстановить в основном по рабочим сведениям, представлявшимся прорабами станции в бухгалтерию. Не все эти сведения одинаково тщательны и полны. Лучшими являются данные В. И. Сурнина, но они охватывают лишь последний этап строительства.

На ручную разработку и удаление мерзлого грунта было затрачено:

7

в том числе и 11 человекодней, затраченных на ледяную облицовку камер и коридора.

Таким образом, в среднем выработка составляла, вместе с удалением породы до отвала, – 475 м3 : (1026 – 11) = 0,47 м3 за человекодень. Эта весьма значительная величина распределяется, конечно, весьма неравномерно. Так, например, в январе 1941 г., на основе учета всего предшествующего опыта и контрольного хронометража, на станции были.  выведены следующие дифференцированные нормы выработки на человека за 8 часов работы:

8

В норму входило: рыхление грунта в забое, обработка поверхности пола, стен и свода по шаблону и выкидка грунта в основной штрек. Не только в зависимости от индивидуальных качеств рабочих, но и в силу особенностей самих грунтов, выполнение и перевыполнение этих норм было неодинаковым. Наиболее значительно перевыполнялись как раз большие нормы. Например, по V камере многократно отмечалась выработка 1.44 м3 чел/день. Средняя выработка по всем камерам с зачисткой составила 0.79 м3 чел/день.

По температурам грунты всех камер были сходные. По гранулометрическому составу в I камере грунты пылеватые, мелкопесчаные, частично пыль и пылеватая супесь, а в остальных камерах пылеватые тяжелые суглинки и глины. Гораздо большие различия имеют место в структуре грунтового разреза, особенно в связи с льдистостью его и распределением льда. Особенно богаты льдом, и льдом в виде значительных (до 10—15 см) прослоек, стенки IV и V камер. В III же камере ленточные глины выделяются своей плотностью и бедностью ледяными прослойками. Некоторые цифры льдистости приводятся в следующем разделе. Здесь же существенно подчеркнуть, что трудность разработки вечномерзлых наносов, помимо величины температуры, в очень большой степени зависит от льдистости их и распределения льда в породе. Но все это отнюдь не снижает и значения генетических условий — степени уплотнения материала в процессе отложения и до промерзания. В частности, на месте III камеры либо в недавнем прошлом имело место местное протаивание и уплотнение грунтов, либо этот участок начал накапливать вечную мерзлоту позднее соседних. За большую молодость вечной мерзлоты здесь говорит и понижение рельефа над этой камерой. В части значения температуры для разработки грунтов строительство подземелья дало менее определенный материал. Дело в том, что разрабатывались мелкозернистые толщи, охлажденные, как правило, не более чем до —2,—3°, чаще много меньше. Для подобных грунтов колебание их температуры в таких пределах мало изменяет их прочность. Однако несомненно, что для изучения вопроса разработки мерзлых грунтов строительство подземелья могло бы дать  и в этом отношении много больше, если бы вопрос был своевременно и вполне четко поставлен.

До 1940 г. рабочие сведения не позволяют определить, какая часть рабочей силы затрачивалась на отдельные строительные операции. Об этом распределении можно судить лишь по работам последней очереди. Получается следующая суммарная картина за 1940—1941 гг.

9

Таким образом, несмотря на ручную разработку мерзлого грунта на удаление породы затрачивалось почти 44% рабочей силы. Как правило, она распределялась следующим образом: один человек подвозил породу к шахте, другой загружал бадью, двое подымали ее воротом, и, наконец, еще один отвозил извлеченную породу к отвалу.

Следует заметить, что до 60%, и во всяком случае не менее 50% затраченной подсобной рабочей силы, были бы не нужны, если бы вход в подземелье был запроектирован не в виде шахты, а наклонной штольней.

Суммируя затраты рабочей силы, надо учесть еще некоторые вспомогательные и отделочные работы, прежде всего заправку инструмента. Изнашиваемость его в мерзлых грунтах чрезвычайно высока. Она особенно возрастает с понижением температуры грунтов и увеличением в грунтах содержания песчано-гравелистых частиц и, конечно, гальки. В этих случаях наиболее удобные одноконечные кайла требуют заправки не реже, чем каждый день.

В глинистых грунтах срок работы инструмента несколько продолжительнее. Во всяком случае, затрата рабочего времени на заправку инструмента составляет до 15% от времени работы с ним, то есть около 80 чел/дней.

Вторая группа обязательных работ — это плотничные работы и связанная с ними подвозка материалов и опилок. Очень приближенно их можно оценить, включая и другие вспомогательные работы, в 200 чел/дней. Отсюда общие затраты рабочей силы на все строительство составляют почти 1300 чел/дней. Это цифра – безусловно не заниженная.

Строительство велось ряд лет с большими перерывами, в сумме всего 340 рабочих дней. С учетом выходных, это составляет около 13 месяцев. Таким образом, включая подготовительные работы, оно требовало инженерно-технического руководства на протяжении 14—15 месяцев.

Перечисленными данными и определяется стоимость всех строительных работ, так как материалов здесь потребовалось чрезвычайно мало, еще меньше транспорта. Стоимость инструмента, освещения и спецодежды не превосходит обычных норм в условиях зимнего времени в заполярье.

На протяжении периода строительства заработная плата рабочих станции возросла почти вдвое. Уже поэтому оценку надо отнести к какому-то определенному моменту. Удобнее это сделать на 1941 г., тем более, что для первых лет определение затрат на работы весьма затруднительно. Путем разных сопоставлений и, учитывая специальные доплаты и полярные нагрузки на основную наибольшую ставку рабочего станции в 300 рублей, все затраты на рабочую силу надо оценить не менее, чем в 16 000 руб. Того же порядка будет и стоимость инженерно-технического надзора. Вместе со всеми иными затратами общая сумма расходов по строительству определяется в 35 000 руб., т. е., около 75 руб. за кубометр емкости.

Такая высокая стоимость объясняется исключительно затяжным характером производства работ, которые велись не планомерно, а в меру наличия свободной от других работ силы и чаще всего тогда, когда плохая погода затрудняла производство наружных работ. Конечно, и инженерно-технический работник, наблюдавший за работами и организацией их, был занят по делам подземелья лишь ничтожную долю тех дней, когда здесь велись работы. Все это позволяет считать, что при рациональной постановке дела строительство такого масштаба в условиях Игарки обошлось бы не более, чем по 50 руб. за кубометр ёмкости, а при более крупных масштабах и еще дешевле.

10

Фиг. 6. Шахта № 9 большого подземелья снизу. Видны нижняя лестница, ниша на площадке и потолок шахты. (Фото В. Ф. Тумеля)

Ряд других упущений в большей мере связан уже с неизученностью вопроса, отчасти неизжитой и до сих пор. Таков, прежде всего, вопрос об устойчивости незакрепленных грунтов. Надо сказать, что для горнотехнического разрешения этого вопроса подземелье недостаточно заглублено; как видно из фиг. 4, глубина заложения свода местами всего 4.0—4.5 м и не превосходит 6—7 м. Это, конечно, глубины, недостаточные для изучения горного давления. Надо учитывать при этом, что около 2 м указанных мощностей кровли приходится на слой сезонного оттаивания. Недостаточны и размеры, особенно высота, отдельных помещений. Основная форма сводов — полуцилиндр, отчасти сплюснутый. Многолетние наблюдения не дают указаний на заметные осадки данных сводов. Нет их и в более смелых плоских потолках ниш обеих шахт. В шахте № 8 — это карниз, длиною 2.73 м и шириною 0.71 м на глубине 6.35 м. Грунты здесь — ленточные глины высокой льдистости. Ниша существует с 1938 г.

В шахте № 9 имеется карниз длиною 1.93 м и шириною 1.15 м, на глубине 1.05 м. Грунты здесь пылеватые, сравнительно сухие, без заметного ледяного цемента. Это прежний деятельный слой, переставший оттаивать после укрытия шахты. Ниша существует с февраля 1942 г. (фиг. 4 и 6).

Конечно, для определения возможных деформаций должны быть организованы систематические измерения. При этом необходимо всякий раз определять не только относительную, но и истинную величину сечений. Но для глубокого уяснения вопроса потребуется закладка более крупных опытных помещений и на большей глубине (10—15 м). Можно заранее сказать, что при любой связности рыхлой породы, обусловленной ее льдистостью, деформация сводов вероятна. Весь вопрос в определении оптимальных габаритов, устойчивых на достаточное количество лет. Здесь не следует исходить из расчетов по Протодьяконову, как нельзя сводить все дело и к пластичности льда.  

Вопрос об устойчивости стен и сводов тесно связан также с обсыханием их. Это одна из главнейших особенностей подобных подземелий. Обсыхание идет в основном зимою, но и летом оно имеет место. 

Зимнее обсыхание связано с нагреванием поступающего для охлаждения морозного воздуха. Нагреваясь от стен, он становится менее насыщенным влагою и жадно впитывает ее. Достаточно привести такой пример. При постановке в 1942 г. наблюдений за температурой приповерхностного слоя стенки в коридоре около точки «17», обсохший слой был полностью счищен. За истекшие 2.5 месяца имеющиеся здесь ледяные прослойки оказались уже на глубине 0.8—1.0 см. В воздушно-сухом состоянии оказался и окружающий грунт. Там, где подобная зачистка не производилась годами, ледяные прослойки находятся уже на глубине 10—15 см. Только высокая уплотненность и глинистость обсохшего грунта удерживает его от сплошного обсыпания. Но в некоторой мере оно происходит непрерывно. Процесс обсыхания не прекращается и летом. В летнее время нагревание воздуха, в связи с повышением температуры стенок, ведет главным образом к перераспределению влаги по поверхности помещений.

11

Фиг. 7. Коридор большого подземелья. Вид с в и сточной стороны. Слева — дверь камеры IV, вдали —камеры I Справа — воздушный термометр № 13 и вдали— дверь камеры V. Хорошо видны куржак на своде и борозды от высыхания ледяных прослоек. (Фото В. Ф. Тумеля)

Это особенно заметно в камерах. В связи с большей охлажденностью входной части здесь всегда имеет место заметное конвективное движение воздуха. В результате передняя часть камеры, в особенности ближе к своду, оказывается покрытой «куржаком». В задней же, торцовой, части неуклонно возрастает мощность обсохшего слоя. Обсыхание хорошо видно на приведенных фотографиях (фиг. 7 и др.). Обсохший грунт на них заметно светлее. Ледяные же прослойки скрыты в тени прослоек и линз обсыхания. 

Чтобы бороться с обсыханием, в начале 1940 г. и в начале 1941 г. была сделана ледяная облицовка коридора и камер. С этой целью стены и своды обрызгивались водою при помощи сельскохозяйственного опылителя. Однако успех этого начинания оказался небольшим, так как слой ледяной облицовки был создан слишком тонкий, всего в 0.2—0.3 см. Он очень быстро испарился, и к осени следы ледяной облицовки остались лишь под «куржаком» у сводов коридора и камер. Самый «куржак» возник по преимуществу за счет этой облицовки. Нетрудно подсчитать, какой толщины должна быть устойчивая облицовка. При обсыхании грунта за 2.5 месяца до глубины 1 см, в течение года можно ожидать испарения слоя облицовки до 5 см мощностью. В случае же применения принудительной вентиляции зимнее обсыхание должно немного возрасти. Таким образом, на поверхности подземелья в 715 м2 (исключена поверхность «куржака») должен быть наморожен слой льда толщиною не менее, чем в 5 и до 10 см. Это значит, что на стенках данного помещения надо заморозить более 70 м3 воды. В начинаниях же 1940—1941 гг. расход воды составил лишь несколько десятков ведер.

Все эти основанные на средних цифрах соображения на практике должны уточниться. Прежде всего., нет надобности в равномерной ледяной облицовке. Там, где образуется «куржак», она практически не нужна. Затем не составляет труда обметать «куржак» и таким путем вторично включать его в круговорот. Очень легко создать значительные запасы влаги, если во время метелей не препятствовать задуванию в подземелье снега. Таким путем можно значительно сократить расходы воды и холода на ледяную облицовку. Это подтверждается тем, что стены камер, в которых хранится речной лед, обсыхают в гораздо меньшей мере.

Наконец, основное — теплотехническая сторона дела. На верный взгляд, замораживание 70 м3 воды представляется грозным ущербом в процессе накопления холода стенками. Однако не следует забывать, что замороженная вода уходит в виде пара. Процесс же испарения требует гораздо больших затрат тепла, чем то, которое освобождается при замораживании воды, пусть даже имеющей температуру в + 3°, – 5°. Если считать, что половина испарившейся воды вновь конденсируется на противоположной половине помещений подземелья, то легко подсчитать, что и в этом случае конечный итог теплооборота будет положительным— испарение ледяной облицовки будет охлаждать подземелье в 2.5 раза больше, чем оно нагреется в процессе образования ледяной облицовки. При введении принудительной вентиляции эффект будет еще больше. Таким  образом, подземелье в целом, является в данном случае как бы своего рода гигантской холодильной машиной. Коэффициент полезного действия этой машины будет тем выше, чем больший процент испаряющегося материала будет в виде снега и льда.

Ледяная облицовка важна во многих отношениях и помимо указанного назначения. Уменьшая шероховатость поверхности, она облегчает вентиляцию. Кроме того, она повышает охлаждение и тем, что усиливает холодоотдачу поверхности подземелья. Несомненно она не безразлична и для устойчивости сводов. Изучение значения ледяной облицовки — важная тема. К некоторым вопросам ее придется вернуться ниже, в связи с температурным режимом. Здесь же надо еще отметить, что явление обсыхания подземелья может быть использовано и в процессе строительства его. Если обсохший слой равен 10 см, то на всей поверхности описываемого подземелья обсохшего грунта будет 70 м3. В обсохшем состоянии это будут не только 70 м3 легко снимаемых, но и значительно меньшая масса по объему и весу, так как воды в ней практически не будет. Значит, не добирая при первоначальной проходке подземелья известный слой его стенок и стремясь быстрее начать вентиляционное охлаждение его, можно на 10-12 % уменьшить трудоемкие работы по выемке грунта. Известной рационализацией (за счет развития поверхности) этот процент, очевидно, можно будет еще более увеличить.

Что касается габаритов подземных помещений, то о них пока .можно говорить лишь предположительно. На ближайшее время при работах прикладного назначения едва ли целесообразно итти на помещения шириною значительно больше 3 м.

Заканчивая этим описание строительства и соображения по нему, надо сказать, что отмеченные упущения отнюдь не умаляют большого прикладного значения выполненных работ. Замечания эти являются больше вехами программы на будущее. 

III. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ МАЛОГО ПОДЗЕМЕЛЬЯ

Температурные условия в подземных помещениях являются их важнейшей характеристикой. Они определяют не только устойчивость этих помещений, но и возможности их использования. Это было ясно с самого начала исследования вопроса, и температурные наблюдения уже в малом подземелье были поставлены очень широко.

На фиг. 8 дана развертка правых по ходу и торцовой стенок этого подземелья, с показанием точек, в которых, начиная с июня 1936 г., велись наблюдения за температурой воздуха и еще раньше — с мая этого года— за температурой стенок на глубине 0.5 м. 

12

Фиг. 8. Точки измерения температуры в малом подземелье, на развертке стенок его. I-IV - точки измерения температуры воздуха; 1 —16 -точки измерения температуры стенок на глубине 0,5 м.

Число этих последних точек чрезмерно велико – 16 (фиг. 8). Но с июля 1937 г. оно уменьшено до 11, за счет прекращения наблюдений в точках 7, 9, 11, 13 и 15. С декабря 1941г. наблюдения велись мной лишь в шести точках: 1, 3, 5, 10, 14 и 16. До июля 1937 г. температура воздуха измерялась в. четырех точках. Позднее точка II была упразднена, а с декабря 1941 г. прекращены наблюдения и в точке III. 

С 10 октября 1942 г. все наблюдения в малом подземелье были прекращены. В части сроков температурных наблюдений в первые месяцы преобладали наблюдения через. 1—2 дня, а в марте и апреле 1937 г., когда входной люк был открыт, наблюдения велись ежедневно. 

Позднее они велись раз в пять дней, обычно по 5-м и 10-м числам, а в 1942 г. производились только один раз в месяц. Весь обширный материал получен с помощью психрометрических термометров. В стенках они устанавливались в. шпурах малого диаметра (до 2,5 см), заткнутых с наружного конца. Для измерения же температуры воздуха термометры устанавливались на специальных деревянных держалках, подвешенных на стенках подземелья, причем шарик термометра находился в 2—3 см от стенки и был отделен от нее деревянной планкой. Результаты всех многочисленных наблюдений достаточно однообразны. Ниже, в табл. 1, приводятся лишь годовые итоги, причем точки кратковременных наблюдений и неполные годы исключены. Таблица характеризует температурный режим малого подземелья как весьма спокойный и устойчивый. Совершенно очевидно, что такое положение обусловлено выравнивающим воздействием на температуру воздуха грунтовых масс — при кубатуре около 22 м3 поверхность подземелья в грунте составляет около 50 м2. Сразу же бросается в глаза, что охлаждение воздуха осуществляется здесь через стенки. Оно и понятно. Начиная с мая 1937 г., входной люк подземелья постоянно закрыт. Правда, небольшая вытяжка всегда открыта. Но она устроена таким образом, что не обусловливает заметного обмена воздуха ни зимой, ни летом, так как доведена почти до дна шурфа.

Однако в таблицу включены и данные за 1937 г., когда весь март и весь апрель вход в подземелье был открыт, а средняя температура наружного воздуха составляла в эти месяцы соответственно - 26.2 и – 14.5° при минимальных ниже – 41°. Несмотря на это, минимальная температура воздуха в. подземелье составила в марте 1937 г. всего – 6.6° в траншее и – 5.3° в штреке. Это были наинизшие температуры для воздуха за все 5 лет, но для грунта наинизшие относятся к иным годам, как раз к последним в таблице. Таким образом, малое подземелье является сооружением с температурным режимом, характерным для соответствующих, горизонтов вечномерзлой толщи. Цифры табл. 1 показывают, что температуры воздуха в штреке за 5 лет колебались в 1937 г. от – 5.3 до – 0.7° и падали до – 6.6° в траншее. При эксплоатации подземелья амплитуды, вероятно, были бы несколько значительнее.

13

Таблица 1. Среднегодовые и крайние температуры в малом опытном подземелье

Но это подземелье, конечно, не представляет собой производственного объекта. Теоретически же оно интересно во многих отношениях, несмотря на то, что отсутствие такой аппаратуры, как например, микроанемометры, а также гигрометры и гигрографы, весьма снижало возможности постановки здесь ряда наблюдений. Избыточное количество измерений температуры стенок на глубине полуметра ни в какой мере не компенсировало отсутствия наблюдений за движением воздуха в подземелье. В табл. 1 температуры воздуха чередуются с температурами грунта в том порядке, в каком точки наблюдений за температурой грунта и воздуха располагаются на стенках подземелья по глубине и расстоянию от входа к торцовой стенке штрека. Это видно и из фиг. 8.

Принятое размещение позволяет оценить соотношение между температурой стенок и воздуха в условиях свободного конвективного теплообмена в нем. Правда, при пользовании среднегодовыми итогами уверенное сопоставление затруднительно. Поэтому в табл. 2 даны среднемесячные значения температур в тех же, что и ранее точках и за те же годы. При этом добавлена еще графа глубин точек наблюдения относительно поверхности земли на участке .подземелья.

При рассмотрении табл. 2 надо учесть, что некоторая неравномерность хода температур в отдельных точках обусловлена округлением отсчетов до 0.1°. Округлены до 0.1 м и глубины точек. Но все это частности. Хорошо видно, что конвективный теплообмен через воздух играет в тепловом режиме подземелья заметную роль: если в траншее температура воздуха, по преимуществу, обусловлена температурой грунта на том же уровне, то в шурфе и особенно в штреке температура воздуха обычно значительно ниже температуры стенок. В какой-то мере воздух здесь даже охлаждает стенки. Но, конечно, это охлаждение сравнительно ничтожно, и его не следует переоценить, тем более, что температура воздуха измерялась в плоскости на 30 см ниже уровня температурных наблюдений в стенках. В плоскости измерений в стенке расхождение температур ее и воздуха к концу сезона прогрева, видимо, сглаживалось бы (ср. с температурой точек 8 и 10).

Возможно, что в зимнее время какая-то часть дополнительного охлаждения воздушных термометров должна быть отнесена за счет холода, приносимого наблюдателями при спуске в подземелье. Этот холод больше должен сказаться на нижних точках, к тому же и наблюдаемых позднее. Этим же объясняется и расхождение в 0.3° между температурами воздуха и стенки на глубине 0.9 м в декабре. Но относить  на счет подобных искажений можно только часть зимней разности температур.

14

Таблица 2. Среднемесячные температуры в малом опытном подземелье за 1937 — 1941 гг.

Что конвективный теплообмен не велик, — видно из величины амплитуд средних и абсолютных значений температур воздуха на разных уровнях за годы наблюдений. В период наибольшего охлаждения стратификация его всегда и заметно обратная. Картина начинает меняться в апреле, когда в подземелье температуры грунта, начиная с 0.9 м достигают минимума.

Намечающиеся соотношения температур воздуха и грунта обязывают’ обратить внимание на два общеметодических вопроса по части измерений температур в скважинах. Они свидетельствуют, с одной стороны, о ничтожных размерах того перераспределения температур грунтов в скважинах, какое возможно за счет конвективного теплообмена. Ведь в скважинах соотношение масс воздуха и грунта в десятки раз менее благоприятное для переноса теплахолода, чем это имеет место в подземелье.

С другой стороны, несмотря на то, что в подземелье «воздушные» термометры были очень приближены к стенкам и не имели изоляции, они неизменно давали температуры, заметно отличные от температуры стенок на глубине 0.5 м. Здесь, безусловно, сказывается коэффициент теплопередачи стенок. Это — весьма существенное обстоятельство, и его надлежит подвергнуть серьезному специальному изучению. Данные материалы позволяют отметить лишь качественный эффект. Он здесь был особенно заметным потому, что температуры стенок измерялись в узких шпурах, где шарик и большая часть голых термометров непосредственно прилегали к грунту. При температурных измерениях в скважинах таких условий почти никогда не бывает.

Возвращаясь к температурным материалам по малому подземелью, надо оценить еще изменения температурного режима из года в год. Они существенны, но соответствуют колебаниям температур наружного воздуха. В табл. 3 даны эти температуры для Игарки по данным местной метеостанции, а также крайние температуры воздуха за 1936—1941 гг. по наблюдениям на площадке мерзлотной станции. Кроме того, приведены и многолетние средние и крайние температуры по работе Е. А. Леонтьевой и В. К. Иванова [4], где они вычислены на основе Игарских наблюдений за 1929—1935 гг.

Данные таблицы позволяют рассматривать понижение  температур подземелья за последние годы как временное явление, связанное с более низкими температурами воздуха в эти годы. Уже в следующем, более теплом. 1942 г. температуры подземелья значительно повысились, и за первые 9 месяцев, т. е. исключая месяцы, наиболее теплые для подземелья, приблизились к средним за 5 лет.

15

Таблица 3. Средние и крайние температуры воздуха в г. Игарке.

Теперь остается рассмотреть еще, в каком отношении находятся температуры стенок и воздуха подземелья к температурам грунтов на прилежащей площадке вне воз действия теплоизоляции над подземельем. С этой целы в табл. 4 даны среднегодовые температуры грунтов за 1937—1941 гг. для расположенных вблизи подземелий двух площадок — покрытой травой в летнее время, а зимой снегом, так называемой естественной, и для площадки, зимою очищаемой от снега, а летом от растительного по крова. Положение скважин относительно подземелий дана на фиг. 1. Так как эти данные интересны и для сравнении по большому подземелью, то они даны здесь на глубин; последнего. Материалы взяты из отчетов П. И. Мельникова и Л. А. Мейстера. Необходимо оговориться, что в октябре 1939 г. площадки были взаимно заменены: на обнаженной восстановлен естественный покров, путем пересадки дернины с вновь оголенной площадки, прежней естественной. Но в таблице для удобства пользования, начиная с 1940 г., данные по скважинам ранее обнаженной площадки вписаны в графе естественной и наоборот. Такое написание позволяет скорее заметить, что на новой естественной площадке запасы холода прежних лет начиная с глубины 3 м, сохранялись еще два года. На вновь обнаженной же площадке следы более теплой режима уже в первом году не улавливались до глубины 3.5 м., а еще через год — до глубины 8 м. Дно малого подземелья находится на глубине более 5 м. Следовательно на полную глубину его новые температурные условия должны были бы сказаться лишь в 1938 г. Но известное охлаждение путем вентиляции в начале 1937 г. позволяет  считать уже и этот год, как год сложившегося температурного режима.

16

Таблица 4. Среднегодовые температуры грунтов на опытных площадках мерзлотной станции

Сравнивая данные последней таблицы с данными табл. 1 и 2 для соответствующих глубин, легко заметить, что стенки подземелья, в общем итоге за 5 лет, примерно .вдвое холоднее, чем грунты естественной площадки, и в 2—3 раза теплее грунтов обнаженной площадки. Такое состояние обусловлено для самых нижних точек наблюдений, главным образом, условиями зимнего поверхностного охлаждения грунтов вблизи подземелья — снега здесь всегда много меньше, чем на естественных площадках. Что же касается верхних и в особенности первых точек, то они находятся в особых условиях теплоизоляционного укрытия, притом укрытие, благодаря крыше над ним, не заносится снегом и, следовательно, не защищает в полной мере от зимнего охлаждения, но хорошо изолирует грунты летом. Над штреком укрытие сходит на нет в вертикальной плоскости, проходящей, примерно, около точки 15, как это хорошо видно из фиг. 1 и 2.

Таким образом, наблюдения в более высоких точках позволяют оценить теплоизоляционный эффект опилочного покрытия и в условиях не задуваемого снегом подполья. Ясно видно, что оно в полной мере сказывается уже после первой зимы, и многолетние данные здесь ничего существенного не добавляют. А это значит, что испытание различных теплоизоляционных укрытий в прикладных целях является работой, отнюдь не требующей многолетних наблюдений. Этими соображениями можно и ограничить рассмотрение данных по малому опытному подземелью й перейти к основному объекту.  

IV. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ БОЛЬШОГО ПОДЗЕМЕЛЬЯ

17

Таблица 5. Весовые процентные влажности грунтов большого подземелья

Как уже отмечалось, большое подземелье проложено в толще ленточных отложений. В основном это пылеватые глины, но в западной части, в пределах камер I — II, встречаются линзы пылеватых мелких песков и супесей, а частично пылеватых суглинков. Здесь же вскрыт наносник и встречено несколько довольно крупных валунов. Более глинистая толща более богата и льдом в виде мощных ледяных линз-прослоек. Такое распределение льда очень затрудняет оценку содержания влаги в грунтах. Методика получения объективных показателей ее еще не разработана. Очевидно, однако, что большие пробы дают более вероятную среднюю картину цифр влажности для отдельных участков подземелья. Цифры являются для внутренних скважин средними из 2—5 проб, а для вентиляционных скважин даны по единичным пробам. Из табл. 5 видно, что в основной своей массе вечномерзлая толща, ограничивающая подземелье, имеет влажность 40—50%, т. е. значительно выше влажности деятельного слоя.

Особенно льдисты грунты в восточном конце. В западном, наоборот, грунты суше, нежели в приводимых разрезах. Здесь их средняя влажность составляет 25—35% от веса сухой пробы. Чтобы ориентироваться в теплоемкости этих толщ, следует оценить их объемный вес при естественной структуре, что требует огромных проб. Приближенно, из лабораторных наблюдений над мелкими образцами, его следует принять для пылеватых глин, т. е. для грунтов более льдистых, в 1.3, а для более грубых грунтов—до 1.4, в расчете на сухую породу. В толще охарактеризованного облика во многих точках стенок обеих шахт и коридора, начиная с июня 1937 г., ведутся температурные наблюдения. Вначале они велись лишь на глубине 0.5 м. Но уже с декабря 1941 г. были начаты наблюдения и на глубинах 1.0, 1,5 и 2.0 м. Долгое время наблюдения за температурой стенок велись в из них находилось время точках.  

Начиная с декабря 1941 г., в пяти из них (№84—88), промежуточных и глубиною в 0.5 м, наблюдения прекращены, но зато начаты наблюдения в трех новых точках на глубине 2 м. С этого же времени начаты и температурные наблюдения в стенках камер до глубины 5 м, а также в полу коридора, в средней части его, также до глубины 5 м. Число вновь пронумерованных точек наблюдений возросло, таким образом, до 52. Температура воздуха измерялась до декабря 1941 г. всего в четырех точках — по одной в обеих шахтах и две в коридоре. Точки наблюдений располагались: № 11 в 0.9 м, № 13 в 1.1 м, а №12 и № 14 в 1.4 м от пола. Следовательно, фактически все четыре точки характеризуют температуру коридора. С декабря 1941 г. начаты температурные наблюдения и во всех пяти камерах. Психрометрические термометры были здесь установлены таким же образом, как и в малом подземелье. Они помещались на торцовых стенках камер, в средней части этих стенок; один — в 20 см от пола и другой в 20 см от потолка. В результате число точек возросло до 14, но зато явилась возможность известного учета движения воздуха по камерам. С октября 1942 г. наблюдения были еще немного расширены — в обеих шахтах на  расстоянии 3 м от уровня земли (от нижнего края люков) установлены термографы и к ним контрольные термометры. Третий термограф и контрольный термометр вскоре были установлены в коридоре, вблизи точки № 12, но несколько ниже (на высоте 1 м от пола) и дальше ее от шахты №9 на 1.5 м. Новая точка наблюдений получила уже 17. Между этими двумя точками в стенке камеры начаты наблюдения за температурой грунта на глубинах 5, 10, 20 и 40 см.

Такой значительный размах наблюдений соответствует масштабам и назначению объекта. Несомненно, однако, что теперь многие первоначальные точки представляют интерес уже только для целей преемственных сопоставлений. В будущем же сеть наблюдений должна быть сильно сокращена.

Главнейшим отличием большого опытного подземелья от малого является его температурный режим. Уже по замыслу строителей подземелья имелось в виду существенно снизить температуру окаймляющих его вечномерзлых толщ (а следовательно и температуру воздуха в нем) путем зимнего охлаждения. Принципиально эта задача решена много успешнее, чем в малом подземелье. Но в процессе ее решения вырисовались и многие упущения, а также обстоятельства ранее не известные.

Ориентируясь на охлаждение грунтов изнутри, необходимо было заглубиться настолько, чтобы летний прогрев грунтов не мог существенно влиять на приданную им температуру. Между тем, из фиг. 4 видно, что свод основного коридора находится на глубине всего 5—6 м. У многих же камер свод находится в известной части на глубине всего около 4,5 м. Если учесть, что мощность деятельного слоя на естественных площадках составляет около 2 м, то ясно, что оставшиеся 2—3 м не могут значительное время удерживать температур, отличных от нуля на 10—15°. Хорошо, если в них сохранится—3°,—5° до новой зимы. Совершенно очевидно, что свод подземелья должен был находиться на 3—5 м глубже. Залог устойчивого температурного режима подземелья — мощная зона желательных температур в его стенках. Такая зона охлаждения может быть примерно подсчитана на основе теплоемкости и температуропроводности грунтов, а говоря упрощенно — их теплопроводности. Ни одна из этих величин практически не известна, и установление их, пусть даже в приближенной форме, является важной исследовательской задачей. Таков один круг вопросов, для разрешения которых были поставлены охарактеризованные выше многочисленные наблюдения.

Подойдя ближе к задаче накопления запасов обменного  и подвижного холода в грунтах, нельзя было не почувствовать огромной роли и других показателей и, в первую очередь, показателей теплопередачи от грунта к воздуху и обратно. Эта еще более сложная, но важнейшая задача едва лишь начата разрешением. Помимо недостатка в специальной аппаратуре, она до конца 1942 г. упиралась в отсутствие в подземелье принудительной вентиляции. Без вентиляционных же установок все усилия и ухищрения были направлены на усиление самоточной вентиляции. Задача — мало благодарная, не отвечающая планировке подземелья и не сулящая большого успеха. Таким образом, имеющиеся материалы в подавляющей массе характеризуют, первоначальный, по преимуществу строительный этап большого подземелья. При характеристике строительных работ уже говорилось, что первое время существовало лишь два изолированных шурфа со штреками встречного направления. Только около 10/III 1938 г. эти штреки были соединены в один коридор  и стало возможным известное сквозное движение воздуха. Однако, благодаря небольшим габаритам, это движение осуществлялось с трудом. С 3/1 1940 г. началось увеличение габаритов, и к 19/III обе шахты и коридор приобрели свод современные размеры, а сквозное движение воздуха стало возможным с меньшими сопротивлениями. Но тотчас положение вновь стало осложняться — началась проходка камер. В апреле были пройдены только первые метры камеры V, а с 16/XI 1940 г. по 16/IV 1941 г. были пройдены остальные четыре, камеры и закончена пятая. Наличие камер должно было существенно изменить движение воздуха по подземелью, особенно в условиях самоточной вентиляции. Наконец, надо иметь в виду, что в те, примерно, 1340-дней, в течение которых в подземелье работали люди, загромождавшие коридор грунтом, выдалбливавшие и совершенствовавшие его, естественное движение воздуха и теплоотдача стенок существенно нарушались. Все эти обстоятельства нельзя забывать при оценке температур подземелья.и а особенности при оценке температур воздуха в нем. Конечно, среднегодовые температуры не могут дать вразумительной картины, так как в разные сроки здесь господствовали разные условия, и поэтому удобнее рассмотреть эти температуры по отдельным этапам, условно именуемым периодами охлаждения (или зимними) и периодами нагревания (или летними). К первым отнесено то время, когда люки оставались открытыми и холодный зимний воздух мог притекать в подземелье. Ко вторым — те периоды, когда люки были заперты В это время температура воздуха определялась температурой стенок. Частично такое же положение имеет место зимою, в те дни, когда наружная температура бывает выше температуры стенок.

18

Таблица 6. Средние и крайние температуры воздуха в коридоре большого подземелья по периодам

Но это обстоятельство до последнего времени недоучитывалось, и им приходится пренебречь. С известным округлением выделены и сами периоды. Отчасти это связано с неполнотою старых записей, отчасти с неопределенностью дат закрытия люков. Обычно весною, в связи с переменной погодой, они закрываются и открываются попеременно несколько раз до окончательного закрытия. Но все это детали, которыми на первом этапе обобщения лучше пренебречь. В табл. 6 (стр. 37) приведены данные для выделенных периодов. Курсивом даны цифры, полученные путем некоторых интерполяций за недостававший месяц. Методика наблюдений рассмотрена на стр. 43. Таблица свидетельствует, что, в отличие от малого подземелья, в большом из года в год наблюдается известный рост запасов холода — снижение как средних температур зимнего и-летнего периодов, так и абсолютных минимумов и (что особенно важно) максимумов. Но при этом следует учесть, что первый и последний периоды неполные. Первый не охватывает начальных месяцев прогрева 1937 г., а последний характеризует лишь первые месяцы зимы 1942/43 гг., в течение которой была написана настоящая работа. Однако и остальные периоды, в подавляющей своей массе, говорят о весьма недостаточном использовании Игарского климата. Это хорошо видно из табл. 7. 

19

Таблица 7. Продолжительность тепловых периодов большого подземелья в днях

По данным таблицы видно, что в целом периоды летнего режима подземелья в 1.6 раза длиннее периодов зимнего. Между тем, по Игарским климатическим условиям, в особенности при все еще малой охлажденности грунтов, зимний период должен значительно преобладать по. длительности. Таким образом, из десяти полных периодов нормальными можно признать лишь восьмой — зимний — период и одиннадцатый—летний. Последний, несмотря на широкое использование подземелья для летнего хранения и даже  замораживания продуктов, выгодно отличается от других по своим показателям. Что касается первых двух периодов, то не безынтересно напомнить, что первый целиком, а второй по преимуществу характеризуют сооружение, подобное малому опытному подземелью, так как сквозного проветривания еще не было. И, однако, благодаря лучшим условиям самоточной вентиляции (большим габаритам и более широкому входу), обе шахты и оба штрека охлаждались несравненно эффективнее, чем это наблюдалось в малом подземелье. Правда, здесь и время охлаждения было значительно более длительным. При этом шахта № 8, имевшая большое сечение, охлаждалась заметно сильнее.

20

Таблица 8 Средние и крайние температуры воздуха в точках № 15 и № 1S большого подземелья с 10/Х по 31/ХII 1942 г. по ежедневным наблюдениям

По данным таблицы видно, что в целом периоды летнего режима подземелья в 1.6 раза длиннее периодов зимнего. Между тем, по Игарским климатическим условиям, в особенности при все еще малой охлажденности грунтов, зимний период должен значительно преобладать по. длительности. Таким образом, из десяти полных периодов нормальными можно признать лишь восьмой — зимний — период и одиннадцатый – летний. Последний, несмотря на широкое использование подземелья для летнего хранения и даже  замораживания продуктов, выгодно отличается от других по своим показателям. Что касается первых двух периодов, то не безынтересно напомнить, что первый целиком, а второй по преимуществу характеризуют сооружение, подобное малому опытному подземелью, так как сквозного проветривания еще не было. И, однако, благодаря лучшим условиям самоточной вентиляции (большим габаритам и более широкому входу), обе шахты и оба штрека охлаждались несравненно эффективнее, чем это наблюдалось в малом подземелье. Правда, здесь и время охлаждения было значительно более длительным. При этом шахта № 8, имевшая большое сечение, охлаждалась заметно сильнее. После соединения шахт резко преобладающим направлением движения воздуха в зимний период стало направление от шахты № 9 к шахте №8. Первая является входной в подземелье. От нее же и принят счет точек наблюдений. Объясняется такое направление движения воздуха большей глубиной и большим сечением шахты №8, благоприятствующими самоточной вентиляции именно в ее сторону. Картина нарушается лишь в моменты встречных ветров, что бывает довольно редко. Но прежде чем остановиться на соотношениях режима подземелья с режимом наружного воздуха и его температурами следует отметить ряд методических моментов. Все четыре точки наблюдений за температурой воздуха существуют с первых месяцев строительства подземелья. Но размещение их надо признать очень неудачным. В самом деле, в обеих шахтах они находятся слишком близко от пола и на таких стенках, что не могут определенно характеризовать не только нагрев воздуха на протяжении всего пути по подземелью в зимнее время, но даже и нагрев его в пределах коридора. В коридоре же термометр №12 висит заметно выше №13, благодаря чему скрадывается нагрев воздуха на отрезке коридора между термометрами. В моменты обратного движения воздуха этот нагрев на протяжении средней части коридора вырисовывается уже гораздо явственнее. При наличии хорошей принудительной вентиляции значение мест прикрепления термометров сгладилось бы, но в условиях движения воздуха за счет внутреннего обогрева этого нет, и температуры становятся мало показательными. Не следует забывать, что скорости движения воздуха в подземелье ничтожны. Уловить их под силу бы лишь микроанемометру, но его не было. Поэтому лишь по ряду косвенных соображений и весьма приближенных измерений можно оценить верхний предел скоростей для коридора в 0.05—0.08 м/сек. Однако эти скорости воздуха в коридоре достигаются лишь при благоприятных обстоятельствах — при ветре прямо в дверь шахты или в моменты большого понижения температуры наружного воздуха. Учитывая все это, с началом последнего зимнего периода я установил термометры и термографы в точках № 15 и № 16, в 3 м от входного и выходного люков, непосредственно под ними и на значительном расстоянии от стенок. За первые месяцы наблюдений получена такая картина (см. табл. 8).

Можно быть уверенным, что цифры последней таблицы по сравнению с данными для точек № 11 и № 14, дают более объективную оценку температур основных масс воздуха, проходящих в порядке самоточной вентиляции через подземелье. Средний нагрев воздуха за последний зимний период, по данным таблицы 8, был 4.4°, тогда как между точками № И и № 14—всего 3.2°. Значение размещения термометров особенно показательно по наблюдениям за температурой воздуха камер. С постройкой камер поверхность контакта воздуха с грунтом возросла на 302 м2, т. е. на 65%, а объем подземелья—на 168 м3, т. е. на 55%. Оба эти обстоятельства должны были существенно изменить вентиляционный и температурный режимы подземелья. Так оно и получилось. Температурные наблюдения в камерах начались с декабря 1941 г. При этом дверь камеры III была заперта, и с тех пор поверхность камер, участвовавшая в едином вентиляционном и температурном режиме подземелья, не превосходила 249 м2, а объем 139 м3. В разные моменты отдельные камеры выключались из общего круговорота— двери их закрывались. Но в зимние периоды это случалось редко, в летний же период все камеры были закрыты. В табл. 9 приводятся температуры воздуха камер, участвующих в общем теплообмене подземелья.  Все нечетные точки температурных наблюдений за воз-  духом камер, как и во всех других случаях, находите» ниже по отношению к парным с ними четным точкам, а именно, в 20 см от пола, тогда как четные – в 20 см от свода. Расстояние между ними колеблется от 1.55 м до 1.87 м. Таблица свидетельствует, что у пола всегда заметно холоднее. В среднем, для зимнего периода разница температур по высоте для всех четырех камер составляет 2 — 3°, а в моменты похолодания она в 3—4 раза больше. В летний период температуры заметно выравниваются. Но все же под сводом в торце камер и летом на 0.2—0.3° теплее. 

21

Таблица 9. Средние и крайние температуры воздуха .в вентилируемых камерах большого подземелья

Очертания камер, несомненно, благоприятствуют более интенсивной теплоотдаче свода полу и путем излучения, тепла. К тому же температура у пола измеряется в наиболее теплом, удаленном от двери и коридора сечении. Приведенные в таблице данные характеризуют не только значение местоположения термометров, но также являются показателями условий теплообмена между стенками и воздухом камер на вполне определенных отрезках. Средняя зимняя теплоотдача торцовых стенок составляет, по этим данным, 1.4—1.8, а в среднем около 1.6°/м пути воздуха по высоте. Для обоих зимних сезонов получаются, величины очень близкие, как это видно из табл. 10.  

22

Таблица 10. Средняя за зимний период теплоотдача торцовых стенок камер воздуху в градусах на метр высоты

Табл. 10 свидетельствует, что полученные цифры не случайны. Они возрастают, в частности, с увеличением разности температур. Это станет особенно заметно, если взять из табл. 9 разности абсолютных температур. Но не следует забывать и ряд неотмеченных особенностей обстановки, неизбежных при экспериментах в натуре. Укажу лишь на условия удаления нагретого воздуха из камер.

В сущности говоря, воздух под сводом оказывается в ловушке, особенно при ничтожных скоростях его естественного движения. Из фиг. 4 видно, что двери камер не доходят до свода. Воздух выше двери задерживается, тормозя охлаждение потолка. Для устранения этого неудобства следовало бы иметь люки над дверьми камер. К началу февраля 1942 г. вместо таких люков в своде камер V и II были пробурены скважины диаметром 8″. Это сразу облегчило охлаждение свода камер, но не одинаково, так как выход из скважин был устроен различно: над камерой II была установлена обсадная 6″ труба (см. фиг. 4 и 5), затыкавшаяся на лето, а над скважиной камеры V поверх деревянного короба был установлен вращающийся по ветру, как флюгер, жестяной конус с раструбом. В итоге в камере V через скважину воздух всегда вытягивается, а в камеру II, по преимуществу, задувается. Эти обстоятельства несколько усложняют температурный режим подземелья. Но, учитывая малые сечения скважин по сравнению с сечениями основных вентиляционных путей, а также по преимуществу различное направление движения воздуха в скважинах, их искажающим влиянием в общем балансе можно пренебречь. Сравнивая данные табл. 6 и 9 за соответствующие периоды, легко заметить, что в камерах, на протяжении всего года, заметно теплее, чем в коридоре на прилежащих участках. Вместе с тем, камеры становятся закономерно теплее при движении от шахты № 9 к шахте № 8. Все это говорит о трудностях движения воздуха, больших  сопротивлениях, создаваемых ему камерами с узкими дверьми. Необходимо остановиться еще на одной важной методической особенности материалов по температуре воздуха. На протяжении большинства периодов она измерялась  раз в пятидневку в дневные часы, обычно около полудня,  сразу после отсчета температур воздуха в будке. В летнее время часы наблюдений в подземелье совершенно безразличны, и шесть сроков в течение месяца не нужны. Существенно лишь не измерять ее сразу после массовых посещений или внесения в подземелье значительных предметов, в особенности замерзающих. По этим соображениям в летний период 1942 г. измерения температуры воздуха  велись уже только раз в декаду — по 10-м числам.

23

Таблица 11. Средние и крайние температуры воздуха в точках № 15 и № 16

Иное дело зимою. В это время температура подземелья, как правило, быстро реагирует на изменение наружной температуры. Можно ожидать, что полуденные измерения, да  еще раз в пятидневку, являются лишь вехами для перехода к истинной средней температуре воздуха в подземелье за соответствующий зимний период. В десятом периоде, т. е. с декабря 1941 г. по апрель 1942 г., температуры воздуха измерялись уже ежедневно в дневные часы. Но это тоже недостаточно изменяет положение. Оно лишь облегчает сопоставление наружных и внутренних температур. Однако, это сопоставление затрудняется тем обстоятельством, что в зависимости от степени охлажденности стенок, не говоря уже об особенностях их теплопередачи воздуху, а также в зависимости от степени задувания воздуха ветром, показания установленных в глубине подземелья термометров сравнивать с показаниями наружных термометров надо по-разному. Чтобы облегчить задачу, в зимний период 1942—1943 гг. были поставлены наблюдения в точках № 15 и № 16 уже с помощью термографов. Позднее термограф был поставлен и в коридоре, в точке № 17. Термометры около термографов отсчитывались ежедневно. Но эти отсчеты приобрели уже характер контрольных. Период наблюдений еще мал, и оценка их может быть лишь ориентировочной. Показания термограмм и контрольных термометров приводятся в табл. 11. При этом в отличие от табл. 8 показания термометров взяты лишь за те пятые дни, когда температура отсчитывалась и в основных точках подземелья. Табл. 11 надо рассматривать параллельно с табл. 8. Эффект получается несколько неожиданный — расхождение средних по непрерывной записи температур со средними по наблюдениям раз в пять дней (не говоря уже о средних по ежедневным наблюдениям) в трех случаях сводится к немногим десятым градуса, и лишь в точке № 15 за декабрь расхождение значительное — до 1.6° со средними по пятидневным и до 0.6° со средними по ежедневным наблюдениям.

Конечно, сопоставляются слишком короткие ряды, но эти первые результаты показывают, что для Заполярья в зимние месяцы и односрочные ежедневные наблюдения хорошо отражают режим воздуха в подземелье даже в части крайних температур. Надо полагать, что ближе к концу зимы — в марте и в особенности в апреле и мае, когда вырисовывается вполне определенный суточный ход наружных температур, односрочные наблюдения реже будут давать ту. же среднюю картину, что и непрерывные. Но определяющими морозный период являются не эти месяцы. Таким образом, имеющийся материал дает достаточное-представление о температурном режиме воздуха в точках’ наблюдений. Сопоставляя еще раз данные для точек №15 и № 16, следует подчеркнуть, что разность температурных показаний в этих точках больше при более низких температурах входящего в подземелье воздуха. При этом температура выходящего воздуха гораздо более устойчива. Подземелье является как бы амортизатором морозной волны. Эта важная, черта режима подобных сооружений может найти большое практическое применение. Наличие тепловой амортизации затрудняет солоставление температур наружного воздуха с воздухом подземелья. Если взять самые последние, лучше освещенные наблюдениями месяцы, то получается следующее среднее повышение температуры наружного воздуха при движении по подземелью:

 24

Отчетливо видно, что по мере охлаждения входного участка подземелья поглощение холода в нем уменьшается и происходит уже по преимуществу на следующих участках. К сожалению, из других зимних периодов можно сопоставить лишь данные по точкам №11 и № 14 за 10-й период. При этом получается, что уже в апреле средняя месячная температура наружного воздуха выше, чем в подземелье. Значительную часть этого месяца, хоть и с перерывами, подземелье было закрыто. Для предшествующих же месяцев среднее нагревание наружного воздуха составило:

 25

Для точки № 16 повышение температуры составило бы, в среднем, примерно 9.0°. Для подобных подсчетов по более ранним зимним , периодам недостает данных. Ясно только, что вентиляционные возможности в те периоды были использованы в еще меньшей мере. Средние цифры  самоточного вентиляционного охлаждения показывают, что возможности его по мере снижения средней температуры подземелья уменьшаются. Но это значит только  одно — вентиляция должна быть поставлена культурнее. В моменты повышения наружной температуры подземелье нужно закрывать, а в моменты похолодания открывать. Однако очевидно, что быстрого охлаждения подземелья можно ожидать лишь при установке вентиляторов. Отчасти вентиляторы могут быть заменены различного типа дефлекторами. Пока же можно считать, что в условиях самогонной вентиляции холодный зимний воздух свободно нагревается на 5—9°. Этим определяется и средняя естественная теплоотдача стенок, и средние скорости движения воздуха по подземелью. Отсюда становится возможным оценить  и накопление холода в окаймляющих подземелье вечномерзлых толщах. Как и в отношении температур воздуха, удобнее привести сначала более длительные данные по шахтам и коридору. В табл. 12 не включены промежуточные точки, а даны лишь 4 основных сечения стенок на глубину до 2 м. Цифры, напечатанные курсивом, вычислены без учета ноябрьских данных и, следовательно, занижены. Первые два периода в целом, как и последний, охватывающий лишь начало зимы, не показательны. Остальные данные дают стройную картину значительного накопления, холода в двухметровом слое вечномерзлых грунтов, окаймляющих подземелье: несмотря на колебания зимних температур, средние температуры летних периодов неуклонно снижаются. Снижение наблюдается по всем четырем сечениям и даже в самой верхней части обеих шахт, в точках: № 61 и № 82, т. е. на глубине всего 0.1 м от прежнего (до устройства укрытия над шахтами) уровня земли.

26

Таблица 12. Средние и крайние температуры в стенках шахт и коридора большого опытного подземелья по периодам

Закономерно также большее охлаждение шахты № 9, где на глубине 3 м грунты значительно холоднее, чем на той же глубине в шахте № 8, охлаждаемой уже прошедшим через подземелье, т. е. подогретым, воздухом. Но в последние годы наибольшее охлаждение наблюдается уже не в шахте № 9, а в начале коридора, куда не достигает волна летнего прогревания грунтов. В этом отношении представляет интерес привести и невключенные в основную таблицу данные о температурах стенок на глубине 0.5 м по ряду промежуточных точек.

13

Таблица 13. Среднегодовые и крайние температуры в стенках шахт и коридора большого опытного подземелья на глубине 0,5 м

Курсивом даны средние, полученные путем некоторых интерполяций за недостающий месяц. Из сопоставления данных последней таблицы с данными табл. 1 и 4 видно, что в большом подземелье, даже в шахтах, теплооборот определяется внутренним охлаждением, а не подтоком наружного холода через грунты. В 1938 г., когда часть зимнего времени обе шахты не были еще соединены коридором, путем самоточкой вентиляции сильнее охлаждались шахта №8 и отходящий от нее штрек. Впоследствии, с установлением движения воздуха по преимуществу от шахты № 9 к шахте № 8, в этом направлении начинает убывать и охлажденность стенок подземелья на глубине 0.5 м от их поверхности. Лишь в самой шахте № 8 на глубине 3 – 6 м начинается заметное выравнивание температур путем охлаждения и прогрева через грунты. Следует заметить также и известное несоответствие между падением температур воздуха, проходящего через подземелье, и температурами его стенок на глубине 0.5 м. Последние изменяются значительно слабее, чем температура воздуха, и разность средних температур воздуха за .зимний период между точками № 15 и № 16 почти в три раза больше разности температур в точках № 65 и № 78. Это обстоятельство безусловно связано со значительной интенсивностью рассасывания холода в грунтах, окаймляющих подземелье, т. е. со значительным подтоком тепла к стенкам подземных помещений.

28

Таблица 14. Средние и крайние температуры стенок вентилируемых камер большого подземелья по периодам

Последнее обстоятельство хорошо видно из данных табл. 12: и зимою, и летом в стенках на глубине 0.5 м температуры заметно ниже, чем на глубине 2.0 м. Если до 1942 г. такое положение можно еще объяснять ничтожным использованием подземелья в летнее время, то для лета 1942 г. можно говорить уже только о недостаточном использовании. Подток тепла изнутри в лето этого года был очень значителен, в особенности для шахты № 9 и  отдельных камер. Температуры в стенках этих камер для глубины до 2 м приводятся за все время наблюдений в табл. № 14. Принятая планировка не благоприятствует охлаждению стенок камер. Но наряду с этим вырисовывается и большое значение отношения поверхности охлаждения к объему. Как уже отмечалось, с постройкой камер объем подземелья возрос меньше, чем его поверхность, а это обстоятельство способствовало более быстрому понижению температуры в них, чем в коридоре. Правда, ближайшие к коридору метры камер находились с первого момента в зоне охлаждения стенок вокруг коридора. Но, как будет показано  в дальнейшем, эта зона, по крайней мере в торцовой половине камер, в основном, создается заново. 

Температуры в камерах измерялись, как и в коридоре, на высоте около 1 м от пола, т. е., примерно, на полувысоте стенок, у начала их сводчатой части. Но точки измерений, как видно из фиг. 3, находились не все рядом, а сосредоточены в двух сечениях — первое, включавшее измерения на глубине 0.5 м, соответствует, примерно, середине камеры по длине, а второе находится в торцовой части на расстоянии около 0.5 м от торцовой стенки ее; точка же № 54—даже в центре этой стенки. Очевидно, что в первом сечении, находящемся всего в 3 м от коридора, охлаждение грунтов идет как за счет зимнего холодного воздуха в период вентиляции, так и по стенкам со стороны коридора. Он существует гораздо дольше камер и создал вокруг себя заметную зону охлаждения. Эти обстоятельства следует учитывать при рассмотрении табл. 14. Она прежде всего подтверждает, что и в камерах основным теплоносителем являются окаймляющие камеры грунтовые массы. Даже в камере IV, где летом 1942 г. было заморожено значительное количество мяса и рыбы, внутренний теплоприход был относительно ничтожен.

29

Таблица 15. Средние и крайние температуры стенок и воздуха камеры III большого подземелья с 5/ХII 1941 г. по 31/XII 1942 г.

Все это свидетельствует о больших потенциальных возможностях охлаждения за счет стенок помещений и заставляет обратить особое внимание на приток тепла извне по грунтам. Очевидно, что этот приток должен быть преодолен путем создания за зимний период вокруг подземелья достаточно обширной зоны охлаждения. Пока эта зона еще мала и слабо охлаждена — для торцовых частей камер на глубине 2 м максимумы температур колеблются около — 2.0°, — 2.5°. В более чистом виде зона охлаждения может быть прослежена по наблюдениям в камере III. Эта камера, как известно, отделена от коридора очень мощной перегородкой и с декабря 1941 г. постоянно закрыта. Таким образом, по условиям своего теплового режима за последний год, камера III может быть уподоблена штреку малого подземелья. Разница только в том, что камера находится на той глубине от земной поверхности, на которой годовые колебания температуры в Игарке исчезающе малы, а кроме того, она не соединена с колодцем, по которому мог бы подтекать сверху более охлажденный воздух. Температуры по камере III даны в табл. 15. В данном случае нет надобности в выделении отдельных периодов, и в таблице, кроме средних, приведены лишь крайние величины для 1942 г. Здесь же даны и не упоминавшиеся в свое время температуры воздуха в этой камере. Таблица свидетельствует об однообразии температурного режима каморы, который весьма устойчив.

Эффект от пребывания 2 — 3 человек в течение нескольких часов сглаживается в температуре воздуха за меньшее количество времени. Конечно, измеряемые температуры воздуха относятся к самой теплой части камеры. Здесь эта разница в температурах у входа и вдали от него еще значительнее, чем в вентилируемых камерах. Это видно из температуры стенок камеры III: их температура почти всецело определяется теплопроводностью грунтов. Охлаждение идет по стенкам и в подавляющей массе со стороны коридора. В точке № 31 температура регулярно измеряется на глубине 0.5 м, но эпизодически она отсчитывалась около этой точки и на глубине 1.0 и 1.5 м. На всех трех глубинах температура оказывалась одинаковой и зимой, и летом. Практически одинакова она и в точках № 32 и № 33 на глубинах 1.0 и 2.0 м. Таким образом, камера представляет собой как бы обширную горизонтальную скважину для измерения температур в сторону от коридора. Как видно из табл. 15, эти температуры на расстоянии 3 м от коридора колеблются в пределах 1° – составляя в среднем всего — 2.4°; в 5.5 — 6 м от коридора амплитуды их у» только 0.5°, а средние значения—1.5°. Правда, в восточной стенке камеры картина несколько иная — здесь на 1.0 м от стенки заметно (на 0.4°) холоднее, чем на 2 м. Это объясняется, главным образом, быстрым возрастанием температур стенок подземелья при движении по нему с запада на восток.

Изолируя камеру III от охлаждения путем вентиляции в зимнее время в целях получения помещения с устойчивой отрицательной температурой, я первоначально имел в виду две общестроительных задачи. Прежде всего хотелось определить практические возможности регулирования температуры в камере путем охлаждения в соответствующей мере окружающих помещений. В данном случае такими помещениями являлись коридор и соседние камеры II и IV. При этом было недоучтено то обстоятельство, что при длине камеры около 6 м даже торцовая ее часть удалена от коридора всего на 6 м. Боковые же камеры отстоят в среднем на 7 м. Очевидно, что их охлаждающее влияние будет слабее и трудно уловимо. Для подобных целей камера III должна быть отделена от коридора нейтральной зоной в 8—10 м, а боковые регулирующие камеры соответственно удлинены. В существующих же помещениях механизм регулирования температур может наблюдаться лишь в сложном виде суммарного эффекта. Нельзя пренебрегать также и тем обстоятельством, что свод камеры находится на глубине всего около 5 м. Правда, на этой глубине нормально годовые амплитуды температуры измеряются лишь долями градуса.Но 5 м минус деятельный слой — во всяком случае, много меньший путь, чем 7 м, и рассеивание волны холода по пути к камере III вверх будет большим.

Все эти обстоятельства затрудняют ориентировку и в другом, уже более теоретическом вопросе — в оценке теплопроводности вечномерзлых толщ путем температурных измерений со стороны соседних камер. Стабильность температур в камере III весьма облегчала изучение этого вопроса. Однако, очевидно, что в условиях данного подземелья для изучения обоих больших вопросов следует располагать помещениями, разделенными вечномерзлой толщей в 3 и не более, чем в 4 м толщиною. Все же из приведенных данных заметно влияние соседних камер. Достаточно сопоставить данные по точкам № 24, 25, 14 и 15 с данными по точкам № 22, 23, 32 и 33, а тем более по точкам № 34, 35, 42 и 43, чтобы уловить некоторое боковое воздействие. Чем ниже будут температуры, тем заметнее будет и этот эффект.

Что касается теплопроводности, то она может измеряться со стороны третьей камеры в направлении от торца камеры к коридору.  

Температуры грунта до глубины 2 м измерялись во всех точках не реже одного раза в декаду, а до декабря 1941 г. даже раз в 5 дней. С этого же времени раз в 5 дней измеряются только температуры на глубине 0.5 м, да и то лишь в зимнее время. Дополнительные наблюдения, начатые в последнем зимнем периоде, показывают,  что принятые сроки не дают возможности уловить небольшие колебания температуры на глубине 0.5 м. Для большей же глубины наблюдения раз в декаду вполне достаточны. Чтобы отразить ход температур на глубине 2 м во времени, на фиг. 9 даны кривые хода температур с декабря 1941 г. по декабрь 1942 г. в точках № 70, 71 и 72.

30

Фиг. 9. Ход температуры в стенках коридора на глубине 2 м с декабря 1941 г. по декабрь 1942 г. (по срочным наблюдениям). 70, 71, 72 — номера точек.

Точки находятся в средней части простенков между камерами I и II, II и III, III и IV. Для точки первого простенка средняя температура за 1942 г. — 5.3°, для второго — 4.7°, а для третьего — 4.1°. Повышение в среднем составляет 0.6° на 10.0 м расстояния по направлению от шахты 9 к шахте 8. Оно особенно велико зимою, в период минимума. Данные графика не только иллюстрируют тесную зависимость величины тепловосприятия холодного воздуха от температуры его, но и зависимость теплоемкости грунтов от их льдистости. Они показывают также, что уже на 2 м от стенки коридора ход температуры очень плавный. Минимум ее наступал в конце марта — начале апреля, запаздывая почти на месяц против минимума на 0-5 м от стенки- Максимум же имел место около середины октября, т. е. почти совпадал с максимумом и на меньших глубинах. В декабре 1941 г. были поставлены наблюдения и на глубину до 5 м от стенок подземелья. С этой целью в местах и по направлениям, показанным на фиг. 3, были пробурены скважины № 16, 26, 27 и 36. Так как скважины  задавались в торцовых стенках, то явилась возможность  оценить пределы возникшей зоны охлаждения вокруг подземелья в горизонтальной плоскости на уровне полувысоты его основных помещений. Результаты температурных измерений по названным скважинам приведены в табл. 16, а ход температур более полно показан на фиг. 10.

31

Таблица 16. Средние температуры по горизонтальным скважинам большого подземелья по периодам границы периодов

По апрель 1942 г. температуры в скважинах измерялись дважды в месяц, в дальнейшем — один раз. В трех случаях на полную глубину скважин прослеживается отчетливая волна сезонного похолодания. Но в скважине № 36 такой волны подметить не удается. Очевидно, что похолодание обусловлено, главным образом, непосредственным охлаждением торцовых стенок камер, а наружные воздействия и утечка тепла по грунтам в направлении коридора играют здесь ничтожную роль. За это же говорит и сопоставление данных по скважинам № 26 и № 27. Последняя находится в углу камеры II, и непосредственная прямая теплоотдача для контролируемых ею грунтов затруднена. Соответственно и температура этих грунтов выше. Таким образом, можно говорить об отчетливой зоне сезонного охлаждения вокруг камер в 5—6 м от стенок их. При этом минимумы температур наблюдались, на одних и тех же  глубинах, в разных скважинах неодновременно.

32

Фиг. 10. Ход температуры в торцовых стенках камер I, II и III на глубинах 0.5, 2.0, 3.0, 4.0 и 5.0 м, с декабря 1941 1\ по декабрь 1942 г. 16, 26, 27, 36 — номера скважин.

 

Только на 0.5 м они во всех случаях приурочены к концу марта, а максимумы — к первой половине октября. На 2—4 м минимумы и максимумы отмечались раньше всего по скважине № 16. На 5 м ее опережает скважина № 26. Из фиг. 10 видно, что на этой глубине самым холодным месяцем является июнь, а самым теплым январь. Амплитуды температур по скважинам № 16 и № 26 оказались равны соответственно:

33

Все эти данные свидетельствуют о достаточной устойчивости запасов холода в глубине стенок подземелья. Кроме того, они указывают на большую зависимость размеров зоны устойчивого охлаждения от температуры охлаждающей среды. Так, вокруг первой камеры, как более, холодной, и в 5 м от стен температура равномерно более низкая, чем вокруг более теплой второй камеры. Здесь сходные условия имеют место лишь в 4 м от стен. Но из года в год размеры зоны охлаждения растут.

Та же закономерность наблюдается и по трем вертикальным скважинам, пятиметровой глубины, заданным в полу камер V и III и в полу коридора в его средней части (см. фиг. 3 и 4). К сожалению, по камере V с августа 1942 г. имел место перерыв в наблюдениях. Данные по вертикальным скважинам приведены в табл. № 17.

При сравнении данных последней таблицы с данными для горизонтальных скважин обнаруживается большее охлаждение грунтов вниз от пола подземелья и соответственно большая устойчивость наблюдаемых в них температур. Даже в третьей, неохлаждаемой, камере грунты вниз от нее заметно охлаждены, что вполне понятно.

Имеющиеся данные позволяют построить температурные поля вокруг подземелья для горизонтального сечения в плоскости полувысоты основных помещений. На фиг. 11 представлено положение температурного поля в конце марта 1942 г., а на фиг. 12 — положение его к 10 октября 1942 г. Таким образом, изображено два крайних момента в ходе тепловой волны — момент наибольшего охлаждения и момент наибольшего прогрева.

Оба чертежа весьма показательны, хоть и не во всех своих частях равно документальны. К сожалению, построить подобные температурные поля в вертикальной плоскости труднее, за недостатком данных. Во всяком случае, и из      приведенных чертежей видно отчетливое убывание охлажденности грунтов в восточном направлении. В этом же направлении на соответственную величину возрастает, как известно, и температура охлаждающего воздуха.  

34

Фиг. 11. Распределение температур в грунтах окаймляющих большое подземелье. В конце марта 1942 года. Разрез в плоскости полувысоты основных помещений.

На чертежах хорошо видно также охлаждающее воздействие вентилируемых камер. Большой интерес представляет и соотношение между степенью охлажденности и размерами поля охлаждения. Все это вместе взятое позволяет лучше уяснить величину запасов холода в стенках подземелья и размер общей зоны охлаждения вокруг него. Границей этой зоны в рассматриваемой плоскости является изотерма — 0.5°, соответствующая естественной температуре вечномерзлых толщ на данной глубине. На обоих чертежах положение этой изотермы различное. Но не следует рассматривать расширение охлажденной зоны к осени исключительно в качестве сезонного колебания ее границы. Оно, несомненно, связано с неуклонным увеличением охлажденных масс. Это обстоятельство свидетельствует о незаконченности формирования зоны охлаждения вечномерзлой толщи вокруг подземелья и указывает на возможность снижения температур подземелья и в будущем. Здесь нет нужды углубляться в подсчеты теплооборотов, но следует оценить накопленные в грунтах запасы холода. Фиг. 12 в целом дает представление об основных,, так сказать строительных, запасах холода вокруг подземелья.

35

Таблица 17. Средние и крайние температуры по вертикальным скважинам большого подземелья с декабря 1941 г. по декабрь 1942 г.

Этот фонд, уцелевший до осени, при нормальной эксплоатации убывать не должен. Когда же прекратится его заметный прирост при заданном режиме охлаждения, тогда можно будет говорить и о безусловном завершении строительства данного объекта. Наличные запасы холода вокруг подземелья можно приближенно определить, если принять, что сделанные сечения характеризуют средние размеры и величины охлажденной зоны по отношению к пространственному полю охлаждения. При этом надо учесть, что вверх от подземелья охлажденный слой лишь зимою может достигать 5 — 6 м, т. е. простираться до земной поверхности. Летом же температуру — 0.5° можно ожидать не ранее, чем на глубине 2 м от последней. Таким образом, общий объем зоны охлаждения, при объеме самого подземелья в 468 м3, достигает всего 19000 – 19500 м3.

По приведенным в начале IV главы материалам, среднюю льдистость грунтов можно принять в 38 %, а объемный вес скелета до 1.35 т/м3. Это значит, что на 1 м3 породы приходится около 0.5 т льда. Отсюда средняя теплоемкость грунтов будет 0.5 х 500 + 0.2 х 1350 = 520 кг/кал/м3. Подсчет объемов охлажденных масс дает для осени около 7 500 000 кг/кал снятого тепла, а для весны — почти 2 22 500000 кг/кал. Таким образом, 2/3 — зимних запасов холода были использованы в летний период. Изучение «расходов холода» свидетельствует о поглощении его, по преимуществу, окружающими массами более теплых грунтов. Не следует забывать, что объем обогревающих грунтовых масс быстро возрастает уже при небольшом удалении от подземелья. Однако, нельзя игнорировать и внутренний теплоприход летнего периода. Это в большинстве эксплоатируемых подземелий будет одной из важнейших частей общего теплоприхода, покрываемого за счет эксплоатационных запасов холода. В 1942 г. в рассматриваемом подземелье эксплоатационные расходы запасов холода были искусственно снижены, отчасти в связи со значительной загрузкой в конце зимы большинства камер охлажденным льдом и в еще большей мере путем искусственного ледо-соляного охлаждения камеры 1 и частично камеры V. Но все это частности. Важнее еще раз подчеркнуть, огромное значение для расчета подземелий оценки действительной теплопередачи как от стенок воздуху, так и обратно, а также подлинной теплопроводности и теплоемкости вечномерзлых грунтов. В процессе теплопередачи от стенок подземелья воздуху особое значение имеет слой стенок, прилежащий к их поверхности. В нем прежде всего накапливается холод, и распределение последнего здесь нельзя определить на основе одной теплопроводности. Охлаждение, как и прогрев этих первых десятков сантиметров требуют особого изучения. С этой целью 20 октября 1942 г. в коридоре, вблизи точек  № 66—69, были начаты ежедневные температурные наблюдения на глубинах 5 см, 10 см, 20 см и 40 см. Первые результаты этих наблюдений приведены в табл. 18. Для сопоставления тут же даны и температуры в точке № 69 для глубины 0.5 м, а также температуры воздуха в точке № 17. Таблица показывает, что в среднем имеет место значительный перепад между температурой воздуха и плавное,  хотя и заметное, повышение температур в стенках. Близость показаний для глубин 5 и 10 см и вся совокупность первых наблюдений подтверждает предположения о важнейшей роли коэффициента теплопередачи от стенок воздуху. Что касается обратного случая, то, по-видимому, он более благоприятен, и поглощение внутренних тепловыделений подземелья его стенками осуществляется достаточно легко и быстро. Теплопередача же стенок явно затруднена. Среди причин, затрудняющих теплопередачу, прежде всего, надо подчеркнуть медленное движение воздуха в подземелье. Значение скорости движения для теплоотдачи хорошо исследовано в инженерной практике, и, например, по Юргесу при изменении скорости движения воздуха от 0 до 1—2 м/сек теплопередача поверхности удваивается, а при скоростях движения порядка 10 м/сек она возрастает в 8 раз.

37

Фиг. 12. Распределение температур в грунтах, окаймляющих большое подземелье, на 10/X 1942 год. Разрез в плоскости полувысоты основных помещений.

Очевидно, что достаточная принудительная вентиляция резко увеличит охлаждение стенок подземелья и во много раз ускорит процесс создания в них достаточных запасов холода. Без вентиляции на это уйдет много труда и много времени. Вопрос о вентиляции сразу же побуждает обратить внимание и на характер поверхности стенок. Эта поверхность практически все время и довольно интенсивно изменяется. Изменения ее, видимо, являются существенным тормозом зимнего охлаждения грунтов. Как уже говорилось в главе о постройке, холодный зимний воздух, заметно нагреваясь еще в шахте, быстро понижает свою относительную влажность и начинает иссушать стенки подземелья. Это очень интенсивный процесс. Инсоляция же и радиация в подземелье в период охлаждения не могут иметь большого значения. Поэтому здесь особенно важно облегчить непосредственную теплопередачу от грунта воздуху. Изрезанная и пористая поверхность стенок затруднит этот процесс и при наличии принудительной вентиляции. В условиях же ее отсутствия застой воздуха у стен будет еще выше. Помимо того, сухой грунт является более хорошим теплоизолятором. Все это говорит о важности введения мощной, охарактеризованной ранее, ледяной облицовки. Конечно, такой вывод отнюдь не снимает вопроса об изучении условий и об определении коэффициентов теплопередачи в обе стороны от поверхности стенок подземелья. Эти работы относятся к числу важнейших очередных задач. Значительные материалы, приведенные в этой главе, достаточно ориентируют в основных тенденциях накопления холода в окаймляющих подземелье грунтах. Без принудительной вентиляции этот процесс идет очень медленно. Условия теплопередачи и отсутствие радиационного охлаждения не позволяют распространять на подземелья закономерности, установленные для поверхностных слоев.

38

Таблица 18. Первые результаты температурных наблюдений 1942 г. в стенке коридора на малых глубинах

Однако не следует думать, что возможности самоточного вентиляционного охлаждения в практике эксплоатации опытного подземелья исчерпаны. Это далеко не так. Просто подземелье построено с недооценкой условий самоточной вентиляции, с забвением больших внутренних сопротивлений движению воздуха, очевидно, в расчете на преодоление всех этих трудностей мощными вентиляторами. Конечно, принудительная вентиляция является более простым, типовым решением, позволяющим сэкономить на кубатуре вспомогательных помещений. Но совершенно очевидно, что при условии капитальной перестройки шахтных надстроек рассматриваемого подземелья самоточная вентиляция его может быть резко усилена. Требуется сделать в нем большие и прямые люки, при этом вытяжной с отверстием, равным сечению шахты. Это весьма заманчивый эксперимент. Для случая, когда нет вентиляторов или электроэнергии, прикладное значение его вполне очевидно. Имеющиеся материалы говорят о высокой тепловой инертности мощных земляных масс. Становятся более ощутимыми масштабы тех сдвигов в тепловом балансе земной поверхности, какие приводят к деградации или нарастанию вечномерзлых толщ. Можно также сказать, что сдвиги в тепловом балансе для определенных типов грунтов обусловлены соответственным климатом. Игарские подземелья тем и ценны, что они устроены в районе, где климатические условия близки к предельным, допускающим подобное строительство без применения специальных технических приемов, в первую очередь, без принудительной вентиляции. Создавая значительные запасы холода в игарских грунтах, можно успешно решать подобную задачу и для более благоприятной среды.

V. НАЗНАЧЕНИЕ ПОДЗЕМЕЛИЙ В ВЕЧНОМЕРЗЛОЙ ТОЛЩЕ

Накопленный опыт позволяет более определенно наметить некоторые жизненно важные направления подобного строительства в вечномерзлой толще. Доступность, дешевизна и простота — это, конечно, важнейшие аргументы за подземелья на малолюдных просторах области вечной мерзлоты. Но у подземелий в вечномерзлой толще имеются и такие качества, которые говорят иной раз за них даже вопреки арифметическим подсчетам стоимостей. Это касается, в первую очередь, подземелий научного назначения. Чрезвычайно большая устойчивость температурного режима и режима влажности воздуха ставят подземные лаборатории вне конкуренции при многих исследованиях, требующих температур не выше нуля. Можно сказать, что это единственные помещения, где можно создать на очень долгий срок такую трудно удерживаемую температуру, как 0°. Все процессы релаксации в грунтах, огромный раздел механики мерзлых грунтов, ряд химических проблем и неисчерпаемый круг биологических вопросов, начиная с проблем анабиоза и кончая изучением сезонной спячки теплокровных животных, могут быть надлежаще и без больших ухищрений изучены только в условиях подземелий в вечномерзлой толще. Разумеется, подземелья безусловно необходимы для собственно-мерзлотоведческих исследований. Имеются в виду исследования как общего характера, касающиеся, например, механизма и полноты промерзания влаги в грунтах, так и сугубо прикладные, например при разрешении задач зимнего охлаждения оснований промышленных объектов. Особую группу подземелий научного и культурно-просветительного назначения должны составить музеи и архивного типа хранилища в вечномерзлой толще. Биологические музеи — это совершенно определенный тип сооружений, хотя методика хранения еще и не разработана. Но и архивы в районах сплошного деревянного строительства могут надежно сохраниться лишь в подобных подземельях. Важнейшее обстоятельство — влажность воздуха — безусловно, может быть отрегулирована в таких архивах до желательных пределов. Приведу некоторые данные. В феврале и марте 1942 г. в отдельных камерах подземелья на столах было положено несколько книг. До этого все они хранились под потолком очень теплой и сухой комнаты, где температуры очень редко опускались ниже +20°, а относительные влажности воздуха не превышали 20 — 30 %. Условия хранения были следующие: № 1 с 10/III хранится на столе камеры I, а с 30 апреля на столе камеры II. № 2 с 10/III и № 12 с 7/II хранятся в камере III, сначала на столе, а позднее (с 20/IV № 12 и с 30/IV № 2) на табурете в торце камеры; № 2 был завернут в газету, а № 12 первые полгода был поставлен на ребро и распушен так, чтобы каждая страница могла свободно впитывать влагу № 5 с 10/III и № 10—11 с 7/II хранятся на столе камеры V, причем № 5 в условиях № 2, а № 10—11 в условиях № 12. № 3—4 10/III положен на столе камеры III, но при очередном взвешивании перенесен на стол камеры II. В следующий раз книга вновь вернулась на прежнее место. Такая переноска продолжалась до 20/VII. В этот день книга осталась во второй камере и в третью перенесена лишь 20/VIII. С 20/V по 20/VI книга лежала в торце камеры III. Изменения в весе всех книг даны в табл. 19. Из таблицы хорошо видно, что при понижении температур увлажнение книг прекращается и быстро сменяется обсыханием их. Вообще влажность меньше при более низких температурах, очевидно, в связи с меньшей абсолютной влажностью воздуха. Все же цифры влажности очень высоки и в общем довольно близки для разных условий хранения, что, конечно, обусловлено качеством бумаги. Все эти данные говорят за то, что режим влажности воздуха подземелья может быть регулируем, и для архивных целей он благоприятнее при более низких температурах. По существу же на него в условиях подземелья до 1943 г. лишь обращено внимание, а исследовательская работа и вытекающее из нее управление влажностью воздуха еще впереди. К перечисленным типам подземелий в вечномерзлой толще примыкает и гораздо более значительная по предполагаемой численности группа подземелий при медицинских учреждениях, рассчитанная на хранение в соответствующих условиях разных препаратов, сывороток и ряда биологических материалов.

39

Таблица 19. Прирост в весе книг, хранящихся в камерах большого подземелья, в процентах к исходному весу

Но наиболее велики по масштабам возможности использования подземелий в вечномерзлой толще для целей промышленных. Достаточно указать хотя бы только на хранение в таких подземельях мяса, рыбы и бочкового товара, не говоря уже о свежих овощах. Последние потребуют, конечно, температур, близких к нулю, что для северных районов области вечной мерзлоты является не такой уже легкой задачей. Для мяса же и рыбы труднее создать благоприятные условия хранения в более южных и окраинных районах области вечной мерзлоты. Разработка проектов рыбохранилищ, включающих и помещения для замораживания рыбы за счет зимних запасов холода, показала, что такая задача вполне может быть осуществлена. Возможности же и масштабы развития рыбной промышленности требуют устройства многих десятков и даже сотен подобных рыбохранилищ.

Они сулят огромные выгоды народному хозяйству. Опытное подземелье в Игарке неоднократно и с успехом использовалось для хранения в летнее время замороженного мяса и рыбы. Летом 1942 г. рыба загружалась нередко многими десятками килограммов, успевала здесь промерзать и хранилась месяцами. Точно так же и мясо, и ягоды. Однако при температуре около — 3° в камерах начинает развиваться своеобразная плесень, покрывающая круглыми пятнами не только землистые стены, но и продукты. Плесень требует периодического хотя бы и кратковременного зажигания света и некоторого притока углекислоты. В темных, непосещаемых камерах она не растет. Не растет и на льду. Судя по температурному пределу и условиям возникновения, это северная форма, хотя и достаточно чувствительная к холоду. Борьба с ней предстоит в теплых (с температурой близкой к нулю) подземельях.

40

Фиг. 13. Холодный склад в вечномерзлой толще, устроенный в 1942 г. Авиапортом в пос. Анадырь Чукотского округа (схема М. Ф. Сидорова). Сверху разрез, под ним — план. I — помещение над входом; II— входной люк; III— входная шахта с лестницей; IV— VIII — складские помещения; IX — второй люк. 1 — вечномерзлые грунты; 2—грунты деятельного слоя; 3 — опилочная засыпка.

Строительство велось в зимнее время, открытыми работами, по преимуществу взрывными. Впоследствии траншея была перекрыта деревянным настилом и засыпана прежним грунтом. Данных об эксплоатации этого подземелья нет. Но очевидно, что при глубине заложения в 3 м до свода оно не может обеспечить устойчивых и низких температур в течение всего, года. Вентиляционное охлаждение и общая планировка заставляют желать лучшего. Все преимущество данного подземелья перед Игарским—в более низких температурах окружающих вечномерзлых толщ. Те же соображения в значительной мере относятся и к другому объекту постройки 1942 г. — продуктовому складу Рыболовпотребсоюза в сел. Кюсюр на р. Лене (фиг. 14). По наблюдениям Н. А. Граве, это сооружение располагается в наиболее выгодной среде, по преимуществу в толще ископаемого льда. Вход в него находится на Ленской террасе, на высоте около 20 м над меженным уровнем вод в реке. Свод подземных помещений — на глубине 4 м от поверхности земли. Вход — наиболее рациональный, по наклонному коридору, Полезная кубатура этого подземелья около 400 м3. Стоимость всего строительства около 25 000 руб. При средней стоимости проходки в вечномерзлой толще в 50 руб/м3, работы во льду оцениваются прорабом Сдобновым в 30 руб./м3, а в грунте—80 руб/м3. Эта последняя цифра очень близка к стоимости проходки, определенной мною для Игарского подземелья. В год строительства Кюсюрского хранилища в нем наблюдались следующие температуры: зимою при открытом люке—20°,—25°, а летом 1942 г.—6°. В сходных условиях восстановления утилизируемых запасов холода находится и старейшее подземелье в вечномерзлой толще — рыбохранилище рыбоконсервного завода в Усть-Порту на р. Енисее. Оно построено в 1932 г. за время с марта по июнь. В 1938 г. его посетил и обмерил Л. А. Мейстер, организовавший здесь некоторые температурные наблюдения, производившиеся раз в 5 дней с 20 июля 1938 г, по 31 июля 1941 г. Перерыв был всего 2 месяца (октябрь и ноябрь 1938 г.) по болезни наблюдателя. Схема этого рыбохранилища дана была в свое время в учебнике общего мерзлотоведения [10]. Поэтому на фиг. 15 дается только план с показанием точек наблюдений и внутреннего оборудования. Подземелье находится на Енисейской террасе, в 220 м от протоки р. Енисея, а вход в него в 20—25 м над меженным уровнем воды в протоке. Вход осуществляется через две шахты, из которых в юго-восточной установлена лестница, а в северо-западной подъемник в виде двух спаренных платформ. Свод подземелья находится на глубине 6 м. Он плоский и кое-где подперт легкой крепью. В камерах установлены стеллажи, на которых раскладывается (обычно в талом виде) рыба. В середине июля 1938 г. таким образом загружалось до 1.5—2.0 т в день, и это были не исключительные дни. Общая емкость подземелья без шахт — около 400 м3. Над шахтами сечением 2×2 м установлены бревенчатые  рубленые будки 6×5 м и высотою 2.5 м.

41

Фиг. 14. Продуктовый склад в вечномерзлой толще, устроенный в 1942 году Рыболовпотребсоюзом в сел. Кюсюр на р. Лене (по Н. А. Граве). Схематический план (вверху) и продольный разрез (внизу). I – помещение над входом; II-наклонный спуск: а – лоток, б -лестница; III – склад. Пунктиром показаны контуры льда на поверхности пола, 1 -вечномерзлые грунты; 2-ископаемый лед; 3- слой сезонного протаивания; 4- насыпной грунт.

Будки имеют досчатые потолки и двухскатные крыши. Снаружи на высоту 1.5-2 м стены будок обложены торфяно-моховым слоем в 0.6-0.8 м толщиною. Эта завалинка закреплена досками и имеет внизу еще дополнительную торфяно-моховую присыпку. В будке с подъемником на грунте настлан пол, под  которым 29/VII 1938 г. непосредственно залегал лед.

42

Фиг. 15. План рыбохранилища в пос. Усть-Порт на р. Енисее, построенного в 1932 г. (по Л. А. Мейстеру). I—V отдельные камеры; VI — шахта с подъемником; VII — входная шахта с лестницей; 1 — контуры стеллажей для укладки рыбы; 2—точки наблюдений за температурой воздуха; 3—точки наблюдений за температурой грунта.

 Подъемник имеет ручную лебедку и занимает все сечение шахты (обе шахты до глуб. 0.8 м имеют срубы, ниже обшиты досками). В шахте с лестницей имеется только люк сечением 1X1 м. Пол здесь есть лишь со стороны двери. Вне пола на 19/VII 1938 г. талый слой достигал 0.15 м, в то время как вокруг домика протаяло уже 0.7 м. Стены будок изнутри сырые, местами покрытые плесенью. Шахтные люки имеют крышки, далеко не всегда своевременно прикрываемые в летнее время, а в зимнее — открываемые иногда лишь  в феврале. Двери будок выходят на юго-запад. Так как это сторона, заносимая снегом, то они и в зимнее время обычно прикрыты. Не удивительно, что за 35 месяцев шестисрочных наблюдений у входного люка ни разу не отмечена даже температура -30°, а чаще всего она была выше —20°. Надо сказать, что рыба загружалась в подземелье лишь в безморозные месяцы. С наступлением холодов, обычно в половине октября, рыбохранилище регулярно загружалось бочками с солеными огурцами и квашеной капустой. Таких бочек загружалось в 1939 г. и 1943 г. более 100. Все эти обстоятельства и в зимнее время, а в летнюю эксплоатацию тем более, не могли не отражаться на показаниях температуры воздуха в точках наблюдений, находившихся на полувысоте подземных помещений. Здесь ‘ трудно выделить сезонные периоды, и поэтому в табл. 20 даются лишь средние и крайние температуры отдельных месяцев.

Наибольшее охлаждение воздуха наблюдалось в период с февраля по март. Но в целом, как видно из таблицы, температурный режим воздуха подземелья отличается чрезвычайным однообразием — он всецело подчинен температурному режиму окаймляющей его вечномерзлой толщи. Температуры последней наблюдались по той же, что и в Игарке, методике, в 8 точках — шпурах, пробуренных в стенках подземелья. При этом только шпур № 1 находился в стенке входной шахты на глубине 1.5 м от поверхности земли. Все остальные семь точек расположены в плоскости полувысоты камер подземелья. Ориентирующие температуры грунта приведены в табл. 21. Таблица характеризует чрезвычайное однообразие сложившегося в этом подземелье, в условиях некультурной эксплотации, температурного режима- На глубине измерений еще очень велико внутреннее обогревающее воздействие на грунты, представленные тонкослоистыми пылеватыми супесями, имеющими весовую влажность 25—33%-. Этот внутренний обогрев, естественно, наиболее велик в тупиковом конце интенсивно эксплоатируемой камеры. К сказанному надо еще добавить, что, несмотря на плохую вентиляцию и накопление «куржака», стенки имели в 1938 г. сухой сыпучий слой в 7—8 см мощностью. Этими замечаниями по отдельным производственным объектам я и ограничусь. Все это примеры еще весьма примитивного использования природной обстановки. Указывая на другие группы подземелий в вечномерзлой толще, надо упомянуть об идее П. И. Мельникова, намечавшего использование подземелий в качестве удобных транспортных магистралей. Для промышленных предприятий во многих городах Заполярья, имеющих зиму, богатую сильными ветрами, «метро» в виде тоннелей в вечномерзлой толще, несомненно, не только удобно, но и экономически перспективно. Особо надо упомянуть широкие возможности непосредственно оборонного строительства в вечномерзлой толще. Разработка вечномерзлых наносов значительно менее трудна, чем разработка скальных пород. Она, несомненно, может быть еще более упрощена. А наряду с этим, вечномерзлая толща может противостоять любому снаряду или бомбе при вполне доступных мощностях мерзлого слоя.

43

Таблица 20. Среднемесячные и крайние температуры воздуха в рыбохранилище Усть-Порта с 20/VII 1938 г. по 31/VII 1941 г.

Использование вечномерзлых толщ в оборонном деле сулит огромную экономию бетона и других строительных затрат. Более подробное рассмотрение типов подземелий данной группы, конечно, должно быть сделано особо. Здесь о них необходимо только упомянуть.

44

Таблица 21. Среднемесячные и минимальные температуры в стенках рыбохранилища Усть-Порта с 20/VII 1938 г. по 31/VII 1941 г.

 

VI. К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПОДЗЕМЕЛИЙ

Приводившиеся ранее данные показывают, что подземелья в вечномерзлой толще возможны, нужны и сулят большие выгоды во многих областях, человеческой деятельности. Однако из материалов наблюдений и накопленного опыта следует, что такое строительство далеко не простая задача. Оно, как и всякое строительство в области вечной мерзлоты», требует, прежде всего, достаточно культурного и тщательного исполнения. Небрежности и промахи в этом новом деле гораздо опаснее, чем, например, в опирающемся на неисчерпаемый опыт жилищном строительстве. Культурной должна быть и эксплоатация подземелий. Но, прежде всего, требуется иметь надлежаще разработанный проект. На сегодняшний день проектирование затруднено отсутствием достаточных данных для уверенного и экономичного разрешения ряда узловых вопросов. Быстрое накопление этих данных является задачей мерзлотоведения. Но нельзя не подчеркнуть; что лишь в процессе проектирования и выявляются многие важные обстоятельства, подлежащие изучению. Неизбежно, что и строительная техника, и эксплоатационная технология подземелий будут неуклонно рационализироваться и в последующем потребуют известных коррективов. Конечно, в соответствии с назначением подземелий в вечномерзлой толще будут меняться и схемы проектирования. Но некоторые общие положения всегда должны быть поставлены во главу угла как предрешающие успех всего начинания. Основным для проекта любого подземелья является мерзлотоведческий теплотехнический расчет. Проектирование немыслимо без определения тепловых условий и теплотехнических требований задания. В связи с пестротою мерзлотно-грунтовой обстановки, всякому конкретному проекту должны предшествовать мерзлотно-грунтовые изыскания или обследование заданного места. Необходимость изолироваться от деятельного слоя и надмерзлотных горизонтов для подземелья любого назначений очевидна. Этим обусловливается определенный минимум вспомогательных помещений (фиг. 16). Понятно, что экономически будут более оправданы сравнительно крупные подземелья, в которых на долю вспомогательных помещений придется меньший процент общей емкости.  

45

Фиг. 16. Восточный конец коридора и восьмая-шахта большого подземелья. Около лестницы видна точка № 77 температурных наблюдений в стенке. (Фото В. Ф. Тумеля)

В зависимости от требований задания и природной обстановки, необходимо, прежде всего, определить размеры зоны охлаждения вокруг подземелья. Как правило, в этой зоне следует отличать область эксплоатационных теплооборотов и область погашения внешней волны тепла или холода, если проектируется теплое подземелье (фиг. 17). В этих расчетах пока что приходится исходить из довольно условных оценок теплопроводности, поверяя их местными данными о тепловом режиме вечномерзлых толщ и о мощности надмерзлотных горизонтов. Одним из важных обстоятельств является определение необходимой и выгодной глубины заложения сооружения.

На примере Игарского большого подземелья видно, что вопрос о зонах охлаждения при его строительстве не был учтен и что для большого охлаждения глубина заложения  его явно недостаточна. Однако, это отнюдь не исключает возможностей значительного улучшения положения. Счищая зимою снег над подземельем . и устроив над ним после первой же такой зимы торфяно-моховую или опилочную засыпку около 1 м мощностью, можно создать условия, соответствующие заглублению, равному мощности прежнего деятельного слоя (2 м), который теперь уже не будет оттаивать.

46

Фиг. 17. Схема небольшого подземелья (продольный разрез). 1 — входное помещение, 2—верхний шлюз, 3 — входной коридор, 4 — основные помещения, 5 – вытяжная шахта, 6 — будка вытяжной шахты, 7—слой сезонного протаивания, 8 — вечномерзлая толща после сооружения подземелья, 9 — насыпной грунт и теплоизоляционные засыпки; А — зона значительных сезонных колебаний отрицательных температур; Б — зона устойчивых отрицательных температур; С — зона охлажденных или прогретых вечномерзлых грунтов вокруг подземелья (в зависимости от назначения его и температур вечномерзлой толщи).

 Возможны и иные решения подобной задачи. Глубина заложения подземелья существенно отражается на размерах и типе входной части и вентиляционных вытяжек. Вход через шахту, как в опытном подземелье, пригоден далеко не во всех случаях, но, как правило, лишь при малых грузооборотах. Чаще более удобным будет вход по наклонному вглубь коридору. Такой вход удобнее проектировать на склоне значительной крутизны.

Необходимость почти во всех случаях иметь вокруг подземелья зону дополнительно охлажденных (или прогретых) вечномерзлых толщ заставляет стремиться к такой планировке подземелья, при которой требуемая зона будет наименьшей. Во всяком случае, отношение ее объема к внешней поверхности должно быть возможно большим. Пределом такой формы является шар. Чтобы приблизиться к этому пределу, необходимо изучать возможности многоэтажной планировки. Что касается внутренней поверхности зоны охлаждения или нагревания, т. е. поверхности самого .подземелья, то отношение ее к объему подземелья должно определяться в зависимости от назначения подземелья.

Очевидно, например, что в холодных помещениях с большими тепловыделениями выгодно иметь возможно большую поверхность при меньшем объеме. Точно так же выгодна большая поверхность и для случая накопления холода в зоне охлаждения или тепла в зоне прогрева. Уменьшение объема вспомогательных подземных помещений является одним из самых эффективных путей удешевления строительства. Стремясь к этому, следует изучить возможности ограничения вспомогательных и промежуточных помещений (фиг. 18).  

47

Фиг. 18. Коридор большого подземелья. Вид с западной стороны, Слева—вход в пятую камеру. Справа камеры II, III, IV. (Фото В. Ф. Тумеля)

Следует использовать неизбежные вспомогательные объемы и поверхности, например для запасания добавочных количеств холода зимой и снятия некоторых тепловыделений летом. Иными словами, надо возложить часть теплооборотов основных помещений на вспомогательные. 

Таковы некоторые общие соображения к проектированию подземелий. Описанное большое опытное подземелье в Игарке предполагало охлаждение окаймляющих его грунтов. Пока это еще небольшое охлаждение, хотя вечномерзлые грунты вокруг подземелья и холоднее в 5—6 раз против исходного своего состояния. Понятно, что на основе имеющегося опыта можно говорить увереннее о подземельях, рассчитанных на охлаждение. Ясно, например, что высота таких подземных помещений желательно гораздо большая, чем 2-2.2 м.

Очевидна также необходимость мощной, ежегодно подновляемой ледяной облицовки стен. Не требует обоснований и важность усиленной зимней вентиляции подобного подземелья в целях повышения охлаждения стенок холодным зимним воздухом. Вентиляцию проще проектировать принудительную, но много может дать и самоточная. .Дальнейшая исследовательская работа должна быть ориентирована, в частности, на изучение теплоотдачи и теплопоглощения стен. Я совсем не останавливался на более знакомых соответствующим специалистам вопросах горного давления. В этом отношении, пожалуй, важнее использовать имеющийся большой опыт, хотя и не связанный с вечной мерзлотою грунтов. Во всяком случае, вопрос о габаритах и о ширине подземных помещений недооценивать нельзя ни проектировщику, ни исследователю. 

VII.  ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные материалы по строительству и данные наблюдений за последующим поведением и температурным режимом опытных подземелий в вечномерзлой толще относятся к г. Игарке. Это пункт, где вечная мерзлота наблюдается до сравнительно небольших глубин и характеризуется температурами порядка — 0.5°. И, однако, в этих условиях, при зиме относительно мягкой, температура в подземелье без особых приспособлений, к концу лета не подымется выше -2.5°,-3.0° и из года в год снижается. Темпы этого снижения можно ускорить путем применения несложных мероприятий.

Малое опытное подземелье, не подвергающееся зимнему охлаждению, сохраняет на протяжении всего года температуру, соответствующую температуре окружающих его вечномерзлых толщ. К этого типа подземельям относится и широко используемое для летнего хранения рыбы подземелье в Усть-Енисейском порту. Но значительные материалы, накопленные для названного производственного объекта заслуживают особого рассмотрения. На опыте первых объектов намечаются формы и пути строительства многочисленных подземелий в вечномерзлой толще различного прикладного, научного и культурно-просветительного, а также оборонного назначения.

Теоретическая оценка имеющихся данных позволяет определить принципы проектирования подобных сооружений. Намечаются и те узловые вопросы, неясность которых заставляет пока прибегать к допущениям, недостаточно обоснованным и, возможно, излишне осторожным. Прикладное значение проблемы подземелий очевидно. Она важна также и для охлаждения грунтов под промышленными объектами, и для кондицирования воздуха при вентиляции шахт и штолен на севере. Но мне хотелось подчеркнуть еще ту мысль, что подземелья являются весьма удобным способом исследования вечномерзлой.  толщи изнутри. А это сулит мерзлотоведу, конечно, не меньшие преимущества, чем, например, петрографу исследования в кратере вулкана, а океанологу погружение в батисфере. От практики избегания вечной мерзлоты, от приспособления к ней и обхода вечномерзлых толщ мерзлотоведческая мысль все чаще и увереннее ведет к управлению вечной мерзлотою. Опытные подземелья вооружают нас возможностями и данными, необходимыми для успеха этого дела. 

ЛИТЕРАТУРА

1. Кальянов В. П. Об использовании постоянной мерзлоты в рыбном промысле на Канином полуострове. «Рыбное хозяйство СССР», № 2, 1934.

2. Крылов М. М. Использование грунтовых теплооборотов для изотермического холодного хранения. Сборник докладов ВАСХНИЛ, 1940.

3. Крылов М. М. и Осташев Н. С. Проект расширения подземной лаборатории Игарской мерзлотной станции Комитета по вечной мерзлоте Академии Наук СССР, 1939.

4. Леонтьева Е. А. и Иванов В. Д. Климатическая характеристика Обь-Енисейского района. «Труды Арктического института ГУСМП», т. 133, Л., 1939.

5. Мейстер Л. А. Отчет о командировке в Усть-Енисейский порт для организации и постановки наблюдений за температурами воздуха и грунтов в леднике-рыбохранилище рыбоконсервного завода (рукопись), 1938.

6. Мейстер Л. А. Мерзлотно-гидрогеологические условия в районе города Игарки (данные наблюдений за 1938—1941 гг. (рукопись), 1942.

7. Мельников П. И. Наблюдения над опытным ледником. Научно-технический отчет Игарской мерзлотной станции за 1936 и 1937 гг. (рукопись), 1938.

8. Мельников П. И. Подземные сооружения в толще вечной мерзлоты (рукопись), 1941. 9.  Сумгин М. И. Вечная мерзлота почвы в пределах СССР. 1927.

10.  Сумгин М. И., Качурин С. П., Толстихин Н. И., Тумель В. Ф. Общее мерзлотоведение. 1940.

11. Тумель В. Ф. Эскизный проект рыбохранилища в вечномерзлых грунтах северных районов Красноярского края, составленный по заданию Красноярского государственного рыбопромышленного треста. 1942.

12. Швецов П. Ф. Вечная мерзлота и инженерно-геологические условия Анадырского района. 1938. 

 

Предисловие

I. Введение

II. Постройка

III Температурный режим малого подземелья

IV. Тепловой режим большого подземелья

V. Назначение подземелий в вечномерзлой толще

VI.  К проектированию подземелий

VII. Заключение

Литература

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета АН СССР за № 2254 ☆ Редактор издательства С. Т. Попова Подписано в печать 10/VIII 1945 г. А20056 Объем 5 ¼ п. л. 5 ¼ уч.-изд. л. Тир 2000 2-я тип. Изд. Академии Наук СССР. Москва, Шубинский пер., 10. Зак. 423.

ИСПРАВЛЕНИЯ в бумажном варианте

48

Загрузить книгу “Игарское опытное подземелье в вечномерзлой толще. Автор В. Ф. Тумель, 1945 год” на ПК, получить электронную сканированную копию (скачать) в формате PDF можно здесь:

Загрузить книгу “Игарское опытное подземелье в вечномерзлой толще. Автор В. Ф. Тумель, 1945 год” на ПК, получить электронную сканированную копию (скачать) в формате Word .docx можно здесь:

Оставить комментарий

При копировании материала с данного сайта присутствие ссылки обязательно!

Top.Mail.Ru