Состав основного комплекса гидрометеорологических и ледовых работ, выполняемых в ходе морских инженерных изысканий, определяется нормативными документами и руководствами (ВСН, 1988, СНиП, 1996, 1997, 2004). Наиболее полно и подробно применительно к морским условиям он раскрыт в СП 11-114-2004 «Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений» (СП, 2004). Путем апробации различных методов наблюдений за характеристиками природной среды, формирования приборной базы, развития и совершенствования тех методов, которые позволяют обеспечить требуемую точность измерений, в лаборатории «Арктик-Шельф» была разработана своя технология выполнения полевых изысканий для акваторий замерзающих морей (Зубакин и др., 2006). Обобщенный перечень видов наблюдений, необходимых при проведении экспедиционных работ, приведен в табл. 1.
Таблица 1. Состав основного комплекса ледовых и гидрометеорологических наблюдений при проведении изыскательских работ на шельфе
3. Научно-исследовательские работы в составе гидрометеорологических изысканий
Проблемы, связанные с повышением качества гидрометеорологических изысканий в морских условиях, стоят очень остро в мировой практике не одно десятилетие. Ледяной покров занимает в списке этих проблем едва ли не лидирующее место. Несмотря на обилие нормативных документов, дебаты между изыскателями и проектировщиками по вопросам выбора исследуемых объектов и методикам наблюдений не прекращаются. Суть проблемы, на наш взгляд, кроется в принципиальных различиях в представлениях одних и других о морском ледяном покрове. Для успешного решения проблемы обеспечения безопасности гидротехнических объектов на уровне проектирования, все угрозы должны быть предельно четко и максимально полно описаны в качестве входных параметров в более или менее сложных моделях взаимодействия конструкций с окружающей средой. Для этого составляющие ледяного покрова разделены в соответствии с существующими классификациями и ледовой номенклатурой на ледяные образования различного вида, описываемые стандартным набором характеристик. В процессе полевых работ изыскатели сталкиваются с практически бесконечным разнообразием реальных ледяных форм и образований. В связи с этим, представление их в терминах существующих моделей далеко не всегда может быть однозначным.
Наиболее характерным примером подобной неоднозначности является проблема консолидированного слоя торосов – одной из основных характеристик льда, используемых при расчете ледовых нагрузок. Несмотря на большое количество исследований торосов в России и за рубежом, точного определения, что следует считать консолидированным слоем, которое одновременно удовлетворило бы и проектировщиков, и ледовых экспертов фактически не существует (что не мешает этому понятию присутствовать в нормативной литературе). Отсутствие такого терминологического определения порождает множество несогласий в методических вопросах выделения консолидированного слоя в полевых условиях.
Работа над проблемой консолидированного слоя ведется в ААНИИ постоянно. В полевых условиях были опробованы практически все известные на сегодня методы выделения консолидированного слоя: по вертикальному распределению температуры в торосе, по вертикальному распределению давления, оказываемого на индентор скважинного зонда-прессиометра и др. Наиболее надежным методом остается обработка результатов сквозного бурения торосов (механического, водяного, термобурения). Большой объем наблюдений, полученный в ходе изысканий, показал, что толщина консолидированного слоя сильно изменяется даже в пределах одного тороса, встречаются торосы с несколькими ядрами консолидации. Большой прогресс в понимании процесса консолидации льда в природных условиях удалось достичь в ходе подводных исследований торосов с использованием водолазов и телеуправляемых аппаратов. В частности выяснилось, что в однолетних торосах в северо-восточной части Баренцева моря достаточно часто встречается гротообразная консолидация (рис. 3), в которой пустоты не являются показателем раздела консолидированной и неконсолидированной частей тороса, а весь киль выступает как единая жесткая конструкция.
Рис. 3. Подводная часть тороса
Еще одной актуальной проблемой ледовых изысканий является определение прочности льда для расчета ледовых нагрузок. Отечественные нормативы и руководства предписывают рассчитывать нагрузки, используя среднюю по толщине льда прочность, полученную в ходе испытаний малых ледяных образцов (СНиП, 1996). Однако такой метод дает завышенные пределы прочности, что ведет к неоправданному утяжелению и удорожанию конструкций. Практические эксперименты показали, что прочность льда, определенная в ходе приложения нагрузки ко всей толщине льда (так называемая «крупномасштабная прочность»), существенно ниже, чем рассчитанная осреднением пределов прочности малых образцов (Алексеев и др., 2001). В результате, в последние годы использование только традиционных методов определения физико-механических характеристик льда для задач инженерных изысканий зачастую уже не устраивает заказчиков, особенно зарубежных. Поэтому в ААНИИ внедрены и уже в течение ряда лет успешно используются методы крупномасштабных испытаний льда (Степанов и др. 2003). Дальнейшим развитием данного направления оказался разработанный в институте метод определения глобальных нагрузок со стороны торосов на сооружение. Основным измерительным средством в этом случае выступает ледокол, воздействующий на торос. При этом регистрируются все параметры движения ледокола по всем степеням свободы, а также усилие на винте. Перед началом испытаний выполняется детальное обследование тороса. Метод определения глобальных нагрузок был успешно реализован в 2008 г. на ледоколе «Капитан Николаев» и в 2009 г. на атомном ледоколе «Ямал» в ходе экспедиционных исследований в северо-восточной части Баренцева моря, направленных на освоение Штокмановского ГКМ.
В практике инженерных изысканий на месторождениях арктического шельфа нередки случаи, когда в состав полевых работ включаются эксперименты, не имеющие прямого отношения к стандартному комплексу изысканий. Это связано с тем, что заказчики часто предпочитают получить наиболее полный комплекс интересующей их информации по природной среде «из одних рук», поскольку морские экспедиции, как правило, сопровождаются дорогостоящей арендой судов, и организация отдельных экспедиций для решения дополнительных задач экономически невыгодна. Примером подобных «дополнительных» исследований являются работы по оценке и минимизации айсберговой угрозы для гидротехнических сооружений. В рамках изысканий на Штокмановском ГКМ, ААНИИ в сотрудничестве с Институтом географии РАН (ИГ РАН) в течение нескольких лет проводились комплексные исследования айсбергов и айсбергопродуцирующих ледников: выполнялись аэрофотосъемка айсбергов и ледниковых фронтов ЗФИ и Новой Земли, воздушное радиолокационное зондирование толщи ледников, гидролокационные исследования подводной части айсбергов, гляциологические работы непосредственно на айсбергах и ледниках, определялись скорости течения ледников и дрейфа айсбергов (рис. 4).
Рис. 4. НЭС «Михаил Сомов» среди айсбергов возле ледника Павлова (Новая Земля)
Опыт ледовых исследований, накопленный в ходе изысканий в 1990–2000-х гг., был в полной мере реализован при подготовке и осуществлении Программы Международного Полярного года 2007/2008 гг. В ходе МПГ были выполнены три экспедиции в северо-восточной части Баренцева моря и Карском море с исследованием ледяного покрова, ледников и айсбергов. На основе собранных материалов, как в ходе изысканий, так и в ходе работ в рамках МПГ, была создана единая база данных по характеристикам айсбергов Баренцева и Карского морей.
Уикс в работе (Уикс, 1997), посвященной истории исследований морского льда, описывает множество примеров, когда военные и экономические интересы государств Арктического бассейна стимулировали ускоренное развитие этого направления наук о Земле. Освоение ресурсов арктического шельфа России в настоящее время позволяет получать новые данные по морским льдам, айсбергам и связанным с ними процессам, в объемах, заметно превышающих сугубо научные программы последних лет. Особую ценность этой информации придает обусловленный нуждами изысканий комплексный характер наблюдений, позволяющий отслеживать все интересующие нас процессы во взаимосвязи, соединяя метеорологию, различные направления океанологии, гляциологию, географию, климат. Уже сейчас можно констатировать, что благодаря инженерным изысканиям наши знания о природных условиях морей арктического шельфа, и прежде всего, Баренцева моря, за последнее десятилетие значительно расширились. Еще большего прогресса в этой области следует ожидать в течение ближайших лет по мере усвоения, обобщения и анализа данных большого числа экспедиций, проведенных в первом десятилетии XXI в.
