Промышленные бассейны в криолитозоне

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

Г. И. Кузнецов, Н. В. Крук, Д. А. Озерский

ПРОМЫШЛЕННЫЕ БАССЕЙНЫ 
В КРИОЛИТОЗОНЕ

Монография

Красноярск 
СФУ 
2022

УДК 551.34
ББК 26.36
К891

Р е ц е н з е н т ы: 
С. Г. Федоров, главный инженер Красноярского треста инженерно-
строительных изысканий; 
В. Ф. Кошкин, кандидат геолого-минералогических наук, главный геолог 
АО «Красноярская горно-геологическая компания»

Кузнецов, Г. И.
К891 
Промышленные бассейны в криолитозоне : монография / 
Г. И. Кузнецов, Н. В. Крук, Д. А. Озерский. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2022. – 356 c.
ISBN 978-5-7638-4618-8

Обобщен опыт строительства и эксплуатации промышленных бассейнов в криолитозоне 
России, а также приведены результаты натурных исследований, новые 
конструктивные решения по формированию криогенно-температурного режима 
вечномерзлого основания. Рассмотрены теплофизические основы работы специальных 
гидротехнических сооружений – золоотвалов, хвостохранилищ, шламонакопителей, 
предложены рекомендации по их возведению и эксплуатации в условиях 
криолитозоны. 
Предназначена для научных сотрудников, инженеров-гидротехников, проектирующих 
и эксплуатирующих гидроузлы в районах криолитозоны, и специалистов 
по техносферной безопасности.

Электронный вариант издания см.: 
УДК 551.34

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 26.36

ISBN 978-5-7638-4618-8 
© Сибирский федеральный
университет, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .......................................................................................................6

1. Природные условия криолитозоны ....................................................7
1.1. Особенности и распространение вечномерзлых грунтов .................7
1.2. Температурный режим вечномерзлых грунтов ............................... 11
1.3. Состав и строение мерзлых грунтов ................................................ 14
1.4. Процесс замерзания грунтовой влаги .............................................. 22
1.5. Содержание незамерзшей воды в мерзлых грунтах ....................... 26
1.6. Основные физические свойства мерзлых грунтов ......................... 30
1.7. Подземные воды криолитозоны ....................................................... 35
1.8. Криогенные процессы в естественных условиях ........................... 39

2. Проектирование промышленных бассейнов ................................. 51
2.1. Назначение промышленных бассейнов, их технические  
и природоохранные функции ............................................................ 51
2.2. Технологии складирования зернистых отходов и стоков  
в промышленные бассейны ............................................................... 55
2.3. Классификация и состав сооружений промышленных  
бассейнов ............................................................................................ 57
2.4. Критерии надежности и экологической безопасности  
промышленных бассейнов ................................................................ 60
2.5. Основные задачи проектирования .................................................... 63

3. Конструкции и технологии возведения сооружений  
промышленных бассейнов .................................................................... 73
3.1. Гидроотвалы в суровых климатических условиях ......................... 73
3.2. Насыпные накопители в суровых климатических условиях ......... 94
3.3. Накопители в карьерных выработках ............................................ 104
4. Фильтрационные расчеты промышленных бассейнов .................... 113
4.1. Задачи фильтрационных расчетов .................................................. 113
4.2. Фильтрационные характеристики грунтов .................................... 115
4.3. Расчеты без учета фильтрационного сопротивления намывных 
и насыпных отходов для начального периода эксплуатации ....... 125
4.4. Накопитель с однослойным грунтовым экраном .......................... 131
4.5. Фильтрационные расчеты накопителей с грунтовыми  
противофильтрационными экранами ............................................. 132
4.6. Фильтрация из неэкранированного накопителя ............................ 139

Оглавление

4.7. Локальные утечки по трещинам в экранах .................................... 141
4.8. Водопроницаемость пленочных экранов ....................................... 145
4.9. Расчет фильтрации в неэкранированных дамбах  
на проницаемом основании ограниченной мощности ................. 149
4.10. Расчет фильтрации в насыпных экранированных дамбах  
на проницаемом основании ограниченной мощности ................. 153
4.11. Расчет фильтрации в глинистых экранах  .................................... 158

5. Методы регулирования тепловых и фильтрационных  
процессов в сооружениях промышленных накопителей .............. 162
5.1. Мерзлотные противофильтрационные и упрочняющие завесы .... 162
5.2. Тепловой режим вечномерзлого основания многосекционного  
промышленного бассейна................................................................ 170
5.3. Устройство незамерзающих дренажей .......................................... 176

6. Проектирование противофильтрационных мерзлотных  
завес в промышленных бассейнах мерзлого типа .......................... 190
6.1. Особенности функционального охлаждения грунтов .................. 190
6.2. Термосифоны. Конструкции и принципы работы ........................ 196
6.3. Расчет температуры теплоносителя в термосифонах ................... 207
6.4. Расчет времени замораживания грунта ......................................... 211
6.5. Основы расчета и проектирование жидкостных термосифонов ... 213
6.6. Инженерная методика расчета жидкостных термосифонов ........ 219
6.7. Расчет замораживания грунтов жидкостными термосифонами .... 224
6.8. Способы устранения летней циркуляции теплоносителя ............ 227
6.9. Опыт практического применения жидкостных термосифонов ... 230
6.10. Сравнительная оценка тепловой эффективности  
термосифонов ................................................................................... 251
6.11. Теплотехнический расчет при замораживании и оттаивании  
грунтов при воздушном охлаждении ............................................. 253

7. Криогенные и фильтрационные процессы при эксплуатации  
промышленных бассейнов  ................................................................. 258
7.1. Техногенные формы гидротепловой эрозии и термокарста,  
комплексные формы фильтрационных и криогенных  
деформаций на промышленных бассейнах ................................... 258
7.2. Особенности развития криогенных процессов при эксплуатации  
промышленных бассейнов .............................................................. 266
7.3. Специальные вопросы устойчивости откосов ограждающих дамб  
промышленных бассейнов .............................................................. 273
7.4. Методы подготовки оснований промышленных бассейнов ........ 292

Оглавление

7.5. Криогенные и гидромеханизированные технологии  
экранирования накопителей ............................................................ 302

8. Натурные наблюдения и исследования накопителей  
промышленных бассейнов .................................................................. 317
8.1. Состав и организация наблюдений ................................................ 317
8.2. Контрольно-измерительная аппаратура ......................................... 320
8.3. Анализ результатов и комплексная оценка состояния  
промышленных бассейнов .............................................................. 332

Заключение ............................................................................................. 337

Библиографический список ................................................................ 339

Приложения ........................................................................................... 345

ВВЕДЕНИЕ

Функционирование и дальнейшее развитие горно-металлургического 
и энергетического комплекса, нефтехимической промышленности 
и многих других предприятий сопровождается увеличением объема отходов – 
хвостохранилищ, золошлаков, шламов, промышленных стоков 
и других видов отходов. 
Накопление, хранение, утилизация и консервация дисперсных промышленных 
отходов – хвостов рудообогащения, золы тепловых электростанций 
и шламов различных производств являются одной из наиболее 
актуальных экологических проблем. Экологически обоснованные технологии 
обращения с такими отходами во многом определяют современный 
уровень охраны окружающей природной среды и рационального 
природопользования. 
Промышленные бассейны – это сооружения, предназначенные для 
утилизации и складирования этих отходов с возможностью использования 
в качестве вторичного минерального сырья и возникающими экологическими 
проблемами при эксплуатации. 
К таким проблемам относят загрязнение подземных вод и водоемов 
при фильтрации промышленных стоков из аккумуляторов, геотехнические, 
гидромеханические и геохимические изменения окружающей среды 
под воздействием аккумуляторов, нарушение устойчивости ограждающих 
дамб, их фильтрационные деформации, воздействие опасных 
процессов вечной мерзлоты (что особенно важно в суровых климатических 
условиях), разрушение аккумуляторов, отток отходов и промышленных 
стоков из них, образование обширных территорий, затопленных 
и загрязненных техногенными селевыми потоками, ветровая эрозия 
и запыление складированных массивов отходов [6, 12, 25].
Необходимо свести к минимуму фильтрацию из промышленных бассейнов, 
повысить устойчивость ограждающих дамб и в целом обеспечить 
безопасную эксплуатацию сооружения. Особое внимание следует уделить 
проектированию, строительству и эксплуатации таких промышленных 
бассейнов в суровых климатических условиях, в проектах по хранению 
необходимо предусмотреть теплозащитные меры и учитывать специфические 
особенности вечной мерзлоты особенно в районах Центральной 
и Восточной Сибири, Енисейского Севера, Якутии, Колымы [17, 25, 58].
Значительное внимание этим вопросам также уделяется в данной 
монографии.

1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ 
КРИОЛИТОЗОНЫ

В соответствии с современными представлениями понятие «грунты» 
включает в себя все горные породы (включая лед и почвы), которые 
изучаются как многокомпонентные системы, изменяющиеся с течением 
времени, с целью их использования в техногенной деятельности.
Методологической основой изучения грунтов является их генезис, 
т. е. условия происхождения, формирующие физико-механические 
свойства и особенности их поведения при нагрузках.

1.1. Особенности и распространение 
вечномерзлых грунтов

Определение термина «мерзлый грунт» формировалось постепенно, 
по мере накопления экспериментальных данных о свойствах мерзлых 
грунтов. Согласно современным представлениям, в том числе определениям, 
принятым в нормативных документах, мерзлыми называются грунты, 
имеющие отрицательную температуру и содержащие лед. Скальные грунты, 
которые имеют отрицательную температуру и не содержат льда, классифицируются 
как немерзлые. Крупнообломочные и мелкодисперсные грунты 
с отрицательной температурой, но не сцементированные льдом, из-за 
их низкой влажности называются сыпучемерзлыми. Морозные сыпучемерз-
лые грунты незначительно отличаются по физико-механическим свойствам 
от грунтов с положительной температурой, поэтому здесь в основном рассматриваются 
мерзлые грунты, частицы которых склеены льдом [10, 54, 56].
Одним из основных классификационных показателей мерзлых 
грунтов является криогенная текстура (табл. 1.1), которая формируется 
в зависимости от условий промерзания, главным образом от значений 
градиентов температуры и влажности.
В зависимости от объема содержания льда различают следующие 
категории мерзлых грунтов [52]:
 ♦ сильнольдистые (содержание льда более 50 %);
 ♦ льдистые (содержание льда 25–50 %);
 ♦ слабольдистые (содержание льда менее 25 %).

1. Природные условия криолитозоны

Таблица 1.1 

Виды криогенных текстур мерзлых грунтов

Криогенная текстура
Характер расположения ледяных включений

Массивная
Лед содержится только в порах грунта. Видимых прослоек 
льда нет

Слоистая
Лед (прослойки) содержится в виде отдельных включений 
различных размеров, ориентированных примерно в одном 
направлении

Сетчатая
Лед содержится в грунте в виде пересекающихся прослоек 
различной ориентации

Корковая
Лед образует корки и линзы вокруг обломков в крупнообломочном 
грунте

Сильнольдистые характеризуются повышенной сжимаемостью 
в мерзлом состоянии, а при оттаивании они приобретают текучую, текучепластичную 
или пластичную консистенцию, что вызывает их про-
садочность. Эти грунты характеризуются очень низкой несущей способностью 
в оттаявшем состоянии и высокой сжимаемостью и имеют 
незначительное количество ледяных включений. Во время оттаивания 
мелкодисперсные слабольдистые грунты (глинистые, суглинистые, 
пыльные) обычно приобретают тугопластичную или полутвердую консистенцию 
и обладают относительно низкой сжимаемостью. Льдистые 
грунты обладают промежуточными свойствами между сильно и сла-
больдистыми.
По состоянию мерзлых грунтов они делятся на две группы:
 ♦ твердомерзлые – прочно сцементированы льдом, практически 
несжимаемые.
 ♦ пластично-мерзлые, содержащие большое количество незамерзшей 
воды, в результате чего в них появляются пластические деформации.

Показателем границы твердомерзлого и пластично-мерзлого состояния 
является коэффициент уплотнения. Эта величина для твердомерзлых 
грунтов равна или меньше 0,001 (105 Па)–1, для пластичномерзлых – 
больше [60].
Твердомерзлое состояние обычно достигается при понижении температуры, 
тогда большая часть содержащейся в них воды замерзает. Эти 
грунты характеризуются температурами, при которых они находятся 
в твердом замороженном состоянии: для пылеватых песков – 0,3°C, для 

1.1. Особенности и распространение вечномерзлых грунтов

супесей – 0,6 °C, суглинков – 1,0 °C и для глин – 1,5 °C. Эти температурные 
пределы очень приблизительны и, как показывают недавние эксперименты, 
завышены, т. е. пластично-мерзлое состояние наблюдается 
при температуре ниже вышеуказанного предела.
Температурный предел тверломерзлого состояния для засоленных 
грунтов всегда ниже значений, указанных выше, и в каждом конкретном 
случае определяется в зависимости от содержания солей и их химического 
состава. Категории засоленности грунтов приведены в [16] в зависимости 
от отношения массы солей к массе сухого грунта.
Содержание биогенных остатков в грунтах характеризуется за-
иленностью или заторфованностью. В отношении мерзлых грунтов, 
содержащих растительные остатки, была составлена классификация 
торфяных грунтов с их разделением на виды, типы и подтипы. Установлено, 
что незначительное количество растительных остатков (3 % 
в песчаных грунтах, 5 % по массе в глинистых грунтах) обусловливает 
необходимость их учета при рассмотрении физико-механических 
свойств [48].
При оценке мерзлых грунтов фундаментов зданий и сооружений 
очень важен период их нахождения в мерзлом состоянии. Названия 
мерзлых грунтов на этом основании еще не нашли окончательного выражения (
основные из них: многолетние мерзлые – годы, сотни и тысячи 
лет, вечная мерзлота – века, тысячелетия и т. д.). В данной монографии 
мы будем придерживаться терминов, приведенных в нормативном 
документе [60].
Вечномерзлые грунты занимают обширные территории Азии, Северной 
Америки, Антарктиды, встречаются они и в Европе. Общая площадь 
распространения вечномерзлых грунтов составляет 35,17 млн км2 
(23 % земной суши, из них 11 млн км2 – в бывшем СССР). На территории 
Российской Федерации вечномерзлые грунты занимают около 
2/3 территории, при этом область их распространения простирается 
до островов Северного Ледовитого океана. Они захватывают большую 
глубину (примерно 1–3 м), а глубже (до 50–100 м) находятся постоянно 
(веками) в мерзлом состоянии. Вечномерзлые грунты имеют мощность 
от нескольких метров до 1,5 км, залегая на глубине от 0,5 до 1,0 м на севере 
и до 3,0–4,5 м на юге. Расстояние от верхней до нижней границы 
вечномерзлой толщи и определяет ее мощность [57].
В зависимости от характера распространения вечной мерзлоты 
по площади выделяют зоны сплошного, прерывистого и островного развития. 
Сплошное распределение мерзлых пород характерно для северных 
регионов, но под водохранилищами или в районах интенсивного 

1. Природные условия криолитозоны

стока подземных вод, встречаются талики, количество и площадь распространения 
которых увеличиваются с севера на юг.
Характерное температурное поле и изменение амплитуды колебаний 
температуры многолетнемерзлых пород по глубине для случая 
их непрерывного залегания показаны на рис. 1.1. В пределах сезонного 
оттаивающего слоя в зависимости от времени температура меняется 
от положительной до отрицательной. При этом амплитуда колебания 
температуры для слоя сезонного оттаивания тем больше, чем континентальнее 
район расположения вечномерзлых пород. Ниже слоя сезонного 

Рис. 1.1. Изменение температуры мерзлых грунтов вг по глубине z и месяцам года (а), амплитуда 
их колебаний (б) [12]: Аz – по глубине (огибающие кривые), среднегодовых температур воздуха; 
θср.в – поверхности грунта; в θср.г (а) и температуры пород во времени (б) на глубине 0,4 м (1), 
2 м (2), 2,4 м (3) и в воздухе (4); ξ0 – глубина сезонного оттаивания

а

б

1.2. Температурный режим вечномерзлых грунтов

оттаивания до глубины h0 температура грунтов, оставаясь отрицательной, 
меняется в течение года.
Глубина h0 называется нулевым уровнем годовой амплитуды. Она 
зависит от континентальности и геологических условий местности, 
среднее значение h0 принимается равным 10 м в нормативных документах. 
Температура на этой глубине принимается равной среднегодовой 
температуре грунта и рассчитывается при определении глубины оттаивания, 
а также при прогнозе температурного режима оснований сооружений 
и других тепловых расчетах.
Ниже уровня нулевой годовой амплитуды с глубиной обычно наблюдается 
постепенное повышение температуры, это связано с влиянием 
геотермального градиента, равного ≈3 °C на 100 м глубины. Следует 
отметить, что в нижней зоне пластов горных пород, имеющих отрицательную 
температуру, некоторый слой грунтов может находиться в оттаявшем 
состоянии из-за высокого давления, понижающего температуру 
кристаллизации. Этот слой грунтов содержит только переохлажденную 
воду без кристаллов льда. Слои почв с переохлажденной водой также 
могут образовываться под влиянием снижения температуры замерзания 
грунтовой влаги из-за содержания растворимых солей. Солевые растворы 
с отрицательной температурой называются криопегами.
Таликовые зоны с отрицательной температурой, а также слой летнего 
оттаивания и глубина зимнего промерзания в районах вечномерзлых 
пород являются важными характеристиками вечномерзлых толщ. 
Это определяющие факторы при строительстве сооружений, а также 
в выборе технологий при строительстве зданий и сооружений.
Следует отметить, что мерзлое состояние пород и их температурный 
режим не постоянны, а меняются одновременно с изменением уровня теплообмена 
на поверхности Земли, т. е. с изменением климата. Причинами 
потепления и похолодания служат как внешние (космические), так и внутренние (
земные) факторы. Рассмотрим один из земных факторов – влияние 
застройки территории и самих зданий при их эксплуатации.

1.2. Температурный режим вечномерзлых грунтов

Температура вечномерзлых грунтов, как об этом было сказано 
выше, – один из решающих факторов, определяющих пригодность 
мерзлых грунтов в качестве оснований зданий и сооружений.
В процессе понижения температуры мерзлого грунта, даже после 
практически полного его замерзания (для песков ниже –2...–30 °С, для 

1. Природные условия криолитозоны

глин ниже –10...–20 °С), прочность грунта возрастает. В то же время 
с повышением температуры мерзлого грунта прочность его уменьшается. 
Особенно заметно влияние температуры мерзлого грунта на его 
прочность при температурах, близких к нулю.
Температура вечномерзлых грунтов в пределах глубины заложения 
фундамента не остается постоянной в течение года. По глубине вечномерзлую 
толщу грунта по температурному признаку можно разделить 
на две зоны (рис. 1.2): зону аккумуляции, характеризующуюся сезонными 
колебаниями температуры, и зону нулевых годовых амплитуд с постоянной, 
не изменяющейся в течение года температурой.
Ниже верхней границы вечномерзлой толщи температура грунта 
изменяется, но всегда остается ниже нуля градусов. Начиная с некоторой 
глубины, температура мерзлого грунта остается постоянной в течение 
года. Для инженерной практики можно считать температуру грунта 
постоянной на глубине 10–15 м (в строительных нормах – 10 м). На этой 
глубине при инженерных изысканиях и определяют разовым замером 
среднегодовую температуру вечномерзлого грунта.

Рис. 1.2. Схематический температурный разрез толщи мерзлых грунтов: Нп
т – глубина 
сезонного протаивания; Нм – мощность мерзлой толщи; t °C – температура; На – зона 
аккумуляции температуры

1.2. Температурный режим вечномерзлых грунтов

Характер температурных колебаний вечномерзлых грунтов представлен 
на рис. 1.2, на котором видно, что распределение среднемесячных 
температур вечномерзлых грунтов, их изменения в течение года 
происходят в зоне аккумуляции. 
От географического расположения района строительства, метеорологических 
факторов, снегоотложений, времени года, глубины от поверхности 
грунта и других условий тепло- и массообмена зависят период 
и амплитуда температурных колебаний вечномерзлых грунтов. 
В то же время колебания величины среднегодовой температуры наружного 
воздуха мало сказываются на изменении температур грунта в зоне 
аккумуляции, однако существенно влияют на глубину сезонного оттаивания 
и промерзания.
Разница между среднегодовой температурой воздуха данного района 
и температурой в зоне нулевых годовых амплитуд не превышает 5 °С. 
Изменения температурного режима грунтов, связанные с естественным 
изменением климата и геологическими процессами, происходят крайне 
медленно по сравнению со сроком эксплуатации здания или сооружения, 
поэтому не имеют практического значения. В то же время необходимо 
иметь в виду, что в результате эксплуатации зданий и сооружений 
среднегодовая температура вечно-мерзлого грунта в пределах заложения 
фундаментов изменяется по сравнению с измеренной в естественных 
условиях.
На рис. 1.3 показана эпюра распределения температур по глубине 
грунта под зданием, по которой видно, что величина среднегодовой температуры (
под центром здания) характеризуется эпюрой, составленной 
кривыми шах и min температур. Чем больше площадь эпюры и ниже 
величина tcr, тем жестче температурный режим, а следовательно, и надежная 
работа грунта как основания сооружения.
Способность основания к восприятию известного количества те-
плопоступлений от здания характеризуется наличием «запаса избыточного 
холода», выражаемого частью площади эпюры, численно равной 
разности площади СДВК и ОВД.
Чем больше этот «запас», тем большее количество избыточного 
тепла может быть воспринято основанием безболезненно для сооружения. 
Приближенно качество основания может быть охарактеризовано 
непосредственно величиной среднегодовой температуры грунта 
(см. рис. 1.1, а).
Не останавливаясь подробно на закономерности формирования 
температур грунта в основании зданий и других тепловыделяющих сооружений, 
о чем более подробно изложено в специальной литературе