Main aspects of constructing snow foundations for the new buildings of the Russian Vostok Station, East Antarctica

Имеющиеся на сегодняшний день корпуса российской станции Восток (Восточная Антарктида) начали эксплуатироваться в 1963 г. и уже многие годы находятся под снегом. В связи с обширными планами по изучению подледникового озера Восток было принято решение о возведении нового зимовочного комплекса. Поскольку в районе строительства имеется мощная снежно-фирновая толща, установка комплекса требует наличия твердого фундамента. Его размеры, исходя из конфигурации нового зимовочного комплекса, составляют 200×120 м. Строительство фундамента было решено осуществлять путем послойного уплотнения снега. Исходя из ориентировочного веса комплекса в 2500 тонн, времени его эксплуатации около 30 лет и предполагаемого давления опор станции на снежный покров в 100 кПа, плита фундамента должна иметь плотность не менее 550 кг/м³, твердость покрытия более 0,5 МПа. При создании метода ее формирования за основу была принята методика послойного уплотнения снега, разработанная для строительства снежных аэродромов на глубоком снегу, пригодных для приема тяжелых самолетов на колесном шасси. Экспериментальное уплотнение снега осуществлялось с помощью гусениц различных тягачей, после чего выполнялись штамповые испытания снежных поверхностей с различными исходными характеристиками снега. Оценка несущей способности фундамента осуществлялась методом расчета вертикальных механических напряжений на его нижней поверхности, образующихся от давления опор станции. Оценка прочностных характеристик снега производилась как прямыми измерениями по методу Бринелля, так и с помощью механического пресса по отобранным образцам и пенетрометром. В конечном итоге плотность снежных слоев в верхней части фундамента достигла 650 кг/м³. В общей сложности, помимо базового слоя, было сформировано еще 9 дополнительных слоев. Первые восемь — летом 2019/20 г., а последний — в январе 2022 г. Общая толщина фундамента превысила 3 метра. При нанесении снежных слоев осуществлялся геодезический контроль за их толщиной и горизонтальностью. Разброс неровности высоты самой поверхности фундамента не превышал 10 см. Для экономии времени и более эффективного использования техники его поверхность на первом этапе строительства делилась на две равные части размером 200×60 м. На одной из площадок фундамента проводилось уплотнение нанесенного снежного слоя, а на другой, уже уплотненной, наносился очередной снежный слой. По окончании его строительства среднее превышение поверхности относительно естественного снежного покрова составило 210 см. Исходя из скорости аккумуляции снега, а также погружения опор станции и фундамента в снежную толщу, поверхность нижней части опор станции сравняется с уровнем естественного снежного покрова примерно через 30 лет. Фактическое среднее погружение плиты фундамента за два года в снежную толщу составило около 8 см, что неплохо согласуется с теоретическими расчетами. Таким образом, новые корпуса станции Восток удовлетворительно просуществуют на протяжении по крайней мере тридцати лет, а с учетом того, что высоты самих ее опор составляют 4 метра, значительно дольше.

1. Vasiliev N.I., Talalay P.G., Bobin N.E., Chistyakov V.K., Zubkov V.M., Krasilev A.V., Dmitriev A.N., Yankilevich S.V., Lipenkov V.Y. Deep drilling at Vostok station, Antarctica: history and recent events. Annals of Glaciology. 2007;47:10–23. https://doi.org/10.3189/172756407786857776

2. Ridley J.K., Cudlip W., Laxon W. Identification of subglacial lakes using ERS-1 radar altimeter. Journal of Glaciology. 1993;73(133):625–634.

3. Kapitza A.P., Ridley J.K., Robin G.d.Q., Siegert M.J., Zotikov I.A. A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Nature. 1996;381(6584): 684–686. https://doi.org/10.1038/381684a0

4. Masolov V.N., Popov S.V., Lukin V.V., Popkov A.M. The bottom topography and subglacial Lake Vostok water body, East Antarctica. Doklady Akademii nauk = Doklady Earth Sciences. 2010;433(2):1092–1097. https://doi.org/10.1134/S1028334X10080222

5. Popov S.V., Masolov V.N., Lukin V.V. Vostok Lake, East Antarctica: ice thickness, lake depth, ice base and bedrock topography. Led i Sneg = Ice and Snow. 2011;1(113):25–35. (In Russ.)

6. Popov S.V. Six decades of radar and seismic research in Antarctica. Led i Sneg = Ice and Snow. 2021;61(4):587–619. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673421040110

7. Lukin V.V. A way to Lake Vostok studies is now open. Problemy Arktiki i Antarktiki = Arctic and Antarctic Research. 2012;1(91):5–19. (In Russ.)

8. Ekaykin A.A., Lipenkov V.Y., Kozachek A.V., Vladimirova D.O. Stable water isotopic composition of the Antarctic subglacial Lake Vostok: implications for understanding the lake’s hydrology. Isotopes in Environmental and Health Studies. 2016;52(4–5):468–476. doi: 10.1080/10256016.2015.1129327

9. Alekhina I., Ekaykin A., Moskvin A., Lipenkov V. Chemical characteristics of the ice cores obtained after the first unsealing of subglacial Lake Vostok. In: Siegert M.J., Jamieson S.S.R., White D.A. (eds). Exploration of Subsurface Antarctica: Uncovering Past Changes and Modern Processes. Geological Society, London, Special Publications. 2018;461:187–196. https://doi.org/10.1144/SP461.3

10. Popov S.V., Boronina A.S., Ekaykin A.A., Klepikov A.V., Leitchenkov G.L., Lipenkov V.Ya., Lukin V.V., Masolov V.N., Richter A., Vorobiov D.M., Cui X., Qiao G., Scheinert M., Dietrich R. Remote sensing and numerical modelling of Lake Vostok, East Antarctica: past, present and future research. Arctic and Antarctic Research. 2024;70(4): 460–476. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70(4)-460-476

11. Savatyugin L.M., Preobrazhenskaya M.A. Russian research in Antarctica. St. Petersburg: Gidrometeoizdat; 1999. 360 p. (In Russ.)

12. Wacker J. New wintering complex at Russian Vostok Station (Vostok, Antarctica). Appendix C-4. Wind Expertise — Snow accumulation. Birkenfeld, Germany: Wacker Ingenieure GmbH; 2019. 14 p.

13. Paterson W.S.B. Physics of glaciers. Moscow: Mir; 1984. 472 p. (In Russ.)

14. Vostretsov R.N., Dmitriev D.N., Putikov O.F., Blinov K.V., Mitin S.V. Main results of geophysical studies of deep wells and ice core in East Antarctica. Materialy Glyatsiologicheskikh Issledovaniy = Data of Glaciological Studies. 1984;51:172–178. (In Russ.)

15. Ekaykin A.A., Tchikhatchev K.B., Veres A.N., Lipenkov V.Y., Tebenkova N.A., Turkeev A.V. Vertical profile of snow-firn density in the vicinity of Vostok station, Central Antarctica. Ice and Snow. 2022;62(4):504–511. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673422040147

16. Ekaikin A.A., Vladimirova D.O., Popov S.V., Lipenkov V.Ya. Accumulation rate and isotope composition of snow in the area of the subglacial Lake Vostok. Certificate of state registration of the database No. 2016620533; 27.04.2016. Appl. No. 2016620007; 11.01.2016. (In Russ.).

17. Manual for design, construction and serviceability assessment of snow and snow-ice Antarctic airfields. Leningrad: Ministry of Civil Aviation of the USSR; 1976. 67 p. (In Russ.).

18. Polyakov S.P., Ivanov B.V., Klepikov A.V., Klokov V.D., Lukin V.V., Martyanov V.L. Physicomechanical properties of the snow-firn coating of the runway at Vostok station in Antarctica. Led i Sneg = Ice and Snow. 2010;109(1):119–122. (In Russ.).

19. Polyakov S.P., Kharitonov V.V. Device to compact snow. Patent for invention RU 2459031; 20.08.2012: Bull. № 23. (In Russ.).

20. Yosida Z. Physical properties of snow. Ice and snow. Properties, processes, using. Moscow: Mir; 1966. P. 377–423. (In Russ.).

21. Salamatin A.N., Lipenkov V.Ya., Barnola J.M., Hori A., Duval P., Hondoh T. Snow/firn densification in polar ice sheets. In: Low Temperature Science Supplement Issue: Physics of Ice Core Records II. Sapporo, Japan: Institute of Low Temperature Science, Hokkaido Univ; 2009; 68:195–222.

22. Oreshko E.I., Utkin D.A., Erasov V.S., Lyakhov A.A. Methods for measuring the hardness of materials (review). Proceedings of VIAM. 2020;85(1):101–117. (In Russ.)

23. Bader G. The theory of compaction of dry snow on high-mountain polar glaciers. Ice and snow. Properties, processes, using. Moscow: Mir; 1966. P. 301–328. (In Russ.)

24. Mellor M. Engineering properties of snow. Journal of Glaciology. 1977;19(81):15–66. https:// doi.org/10.3189/S002214300002921X

25. Voitkovsky K.F. Mechanical properties of snow. Moscow: Nauka; 1977. 128 p. (In Russ.)