Наледные явления у искусственных сооружений на дорогах Сибири и совершенствование способов противоналедной защиты Кузьминых, Александр Иванович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Отрицательные воздействия наледей на искусственные сооружения вызывают деформации, а иногда и разрушения мостов и труб. Нередко наледи создают реальную угрозу безопасности движения поездов и других транспортных средств. Содержание сооружений на наледных участках требует значительных дополнительных затрат как в период строительства, так и при их эксплуатации.

Из искусственных сооружений наледным воздействиям наиболее подвержены трубы. Обследованиями на Забайкальской ж.д. установлено, что 90 /о деформированных труб расположены на наледных участках. Чаще всего разрушаются оголовки труб и концевые участки звеньев.

Недостаточная изученность динамики наледеобразования не позволяет осуществлять надежный количественный прогноз размеров наледи и ее степени опасности. Несовершенство расчетных предпосылок, выражающееся в неучете силовых воздействий наледей, приводят к ошибкам на стадии проектирования искусственных сооружений. Отсутствие типовых проектов противоналедных сооружений усложняет выбор наиболее эффективных средств защиты. В процессе эксплуатации искусственных сооружений на водотоках с наледями нет должного учета наледных участков и контроля за работой противоналедных сооружений в связи с отсутствием или несовершенством технической документации.

Цель работы. Настоящие исследования проводились в целях: изучения режима формирования наледей для установления количественного прогноза их размеров и степени опасности; определения отрицательных воздействий наледей на искусственные сооружения; разработки и внедрения новых способов противоналсдной защиты; совершенствования технической документации по наледям и противоналедным сооружениям, а также методики технико-экономического обоснования различных способов противоналедной защиты.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались экспериментальные и расчетные методы. Результаты наблюдений обрабатывались методами математической статистики. Эксперименты выполнялись на реальных наледных участках и искусственных сооружениях.

Научная новизна и практическая ценность. На основании обширного материала многолетних обследований и наблюдений на наледных участках Забайкальской, Байкало-Амурской и Красноярской ж.д. получены количественные зависимости по прогнозированию наледной опасности. Выполнена классификация наледей по различным признакам, позволяющая более целснаправлено осуществлять противоналедные мероприятия. Численные значения термических напряжений и характеристики прочности бетона в зоне действия наледи, полученные экспериментально, позволяют оценить некоторые отрицательные воздействия наледей на сооружения. Результаты длительных наблюдений за деформациями труб на наледных участках позволяют прогнозировать их развитие и дать оценку пригодности различных типов водопропускных сооружений. Выполненные температурные наблюдения на водотоках, протекающих в трубах и полосе отвода, позволили уточнить величины теплопотерь и составляющие теплового баланса.

Новые способы борьбы с наледями, разработанные и испытанные на конкретных объектах, могут быть использованы для широкого применения. Предложенные формы учетной документации помогут эксплуатационникам более эффективно осуществлять содержание искусственных и противоналедных сооружений. Принятая методика технико-экономического обоснования различных способов противоналедной защиты позволяет сделать правильный выбор при их сравнении.

Реализация исследований. Разработанные методы прогноза нашли применение при проектировании искусственных и противоналедных сооружений па БАМе. По результатам физического прогноза определена степень опасности отдельных наледей на Забайкальской ж.д. Полученная зависимость термического давления наледей нашла дальнейшее развитие у других исследователей при разработке методики расчета термоналед-ных нагрузок.

На Забайкальской, Байкало-Амурской и Красноярской железных дорогах по предложенным разработкам было построено более 20 опытных противоналедных сооружений, которые дали положительные результаты и могут служить аналогами. Результаты исследований включены в ВСН 210—91 (электронагревательные устройства, временные противоналедные сооружения и устройства, эксплуатация), а также в «Альбом конструкций противоналедных сооружений и устройств» (комбинированные противоналедные сооружения, нагревательные и каптажные устройства).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и были одобрены на секции инженерных сооружений и строительства Научно-технического совета МПС (Москва, 1986г.), на научно-технических конференциях в НИИЖТе (1982, 1986, 1987 гг.), на заседании кафедры «Мосты « СГАПСа, на зональном совещании-семинаре (Новосибирск, 1987 г.), на совещаниях-семинарах Академии Наук СССР (Чита, 1972 г., Иркутск, 1980 г.,Звенигород, 1981 г., Иркутск,1987г.), на научно-технических советах Службы пути Забайкальской и Красноярской ж.д.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 26 печатных работах и 43 научно-технических отчетах, прошедших государственную регистрацию.

Наледные явления широко развиты в Сибири и на Северо-Востоке страны. Например, средний ежегодный объем наледей только на Северо-Востоке России по подсчетам О.Н. Толсти-хина составляет 30 млрд. м\ а относительная наледность территории колеблется от 0,12 до 3,0%. Сходные характеристики наледей получены для Предбайкалья, Забайкалья, Дальнего Востока, Восточного Саяна и некоторых других регионов. Сотни опасных для сооружений наледей формируется на Забайкальской, Красноярской, Восточно-Сибирской, Байкало-Амурской, Дальневосточной железных дорогах, а также имеют место на других дорогах Сибири, Урала и Севера России. На автомобильных дорогах наледи широко распространены от Алтая до восточных и северо-восточных границ страны.

Первые научные описания наледей как природных явлений, связанные с освоением Севера и Северо-Востока, принадлежат исследователям XIX века А.Ф. Миддендорфу, Г.Л. Майделю, К. Дитмару, С.А. Подьяконову. Эти ученые высказали первые соображения о причинах, условиях и особенностях возникновения этого явления.

В первой половине XX века большой вклад в исследовании наледей внесли А.В. Львов, М.И. Сумгин, В.Г. Петров, Н.И. Толстихин, Б.В. Зонов, В.П. Швецов и другие. Освоение восточных регионов страны привело к строительству сети железных и автомобильных дорог и связанных с ними искусственных сооружений. Строители и эксплуатационники того периода столкнулись с различными отрицательными воздействиями наледей.

Основой для изучения наледных явлений и выявления закономерностей их развития, являются материалы режимных наблюдений. Результаты наблюдений,выполненные на специально оборудованных площадках, описаны Б.Л. Соколовым, В.Р. Алексеевым, М.Ш. Фурман, О.Н. Толстихиным и др. Наиболее детально динамику наледных процессов на природных наледях исследовал Б.Л. Соколов, предложивший методику расчета наледного стока. Из ученых-транспортников режимные наблюдения на наледях выполнил Е.А. Румянцев, по материалам которых он разработал теорию образования грунтовой наледи. Вопросами прогнозирования размеров наледей занимались Б.Л. Соколов, СМ. Большаков, В.А. Дементьев, Д.В. Дементьева, Ю.Г. Ефимов и др. Практическое использование того или иного вида прогноза ограничивается рамками исходных предпосылок и зачастую связано с учетом большого количества случайно протекающих факторов. Предложенные виды прогнозов пока не нашли широкого применения в практике противоналедной борьбы, поэтому проблема совершенствования различных способов прогноза остается весьма актуальной. Особенно это касается наледей, образующихся около искусственных сооружений, размеры которых и динамика формирования в значительной мере определяются антропогенными факторами.

Отрицательные воздействия наледей на искусственные сооружения впервые подробно описал В.Г. Петров, исследовавший наледи в 20-х годах на Амуро-Якутской автогужевой

магистрали. Из современных исследователей этой проблемой занимались Д.М. Меркулов, Е.А. Румянцев, СМ. Большаков, В. А. Дементьев и др. Чаще всего наиболее опасным воздействием назывался сам факт формирования наледи в отверстиях мостов и труб и на проезжей части дорог. Изучение силовых воздействий льда наледи на сооружения, а также физико-химические воздействия наледей на элементы сооружений не получило у исследователей должного внимания.

Для решения проблем противоналедной защиты проектные, строительные и эксплуатирующие организации привлекали учебные и научные институты: НИИЖТ (Д.М. Меркулов, А.И. Кузьминых), ХабИИЖТ (Е.А. Румянцнв), СибЦНИИС (СМ. Большаков, Ю.Г. Ефимов), ЦНИИС (Н.А. Перетрухин, В.В. Гулецкий), СоюздорНИИ (Б.В. Уткин, Н.Ф. Савко, А.П. Казаков), ВЗИИТ (Т.В. Потатуева), Тындинская мерзлотная станция (П.Н. Луговой), ВИСИ (В.А. Дементьев), Дальневосточный Промстройниипроект (А.А. Цвид, А.Н. Хомчук), Хабаровский политехнический институт (В.К. Рябов), Петрозаводский университет (Е.В. Шушаков), Военная академия тыла и транспорта (И.А. Золотарь, СД. Невский), Академия наук СССР (В.Р. Алексеев) и др. Итогом их работы стали ряд документов нормативного характера, а также конкретные разработки конструкций противоналедных сооружений и методов их расчетов.

Разработанные в различных организациях конструкции противоналедных сооружений были внедрены на строящихся в то время железных дорогах Абакан-Тайшет, БАМ, а также на эксплуатируемых дорогах. Следует отметить, что далеко не все построенные сооружения оказались удачными. Особенно это касается устройств по задержанию наледей. Многие из построенных противоналедных валов и заборов оказались не эффективными. Применение комбинированных противоналедных сооружений носило ограниченный характер.

Несмотря на большое количество публикаций по наледям и способам борьбы с ними, проектировщики, строители и эксплуатационники испытывают большие трудности в решении конкретных проблем противоналедной защиты.

Предлагаемая работа выполнялась автором с конца 60-х годов по настоящее время и была направлена на решение следующих задач.

1. По материалам выполненных наблюдений и исследований разработать некоторые способы прогноза паледеобразования у искусственных сооружений.

2. Установить виды отрицательных воздействий наледей на сооружения и получить количественные значения этих воздействий для учета их в практике проектирования.

3. Разработать и внедрить в производство новые конструкции противоналедных сооружений с обоснованием их экономической эффективности.

4. Разработать и внедрить новые формы учетной документации с возможностью их ввода в АСУ.

Работа выполнялась в лаборатории мостовых конструкций СГАПСа при кафедре «Мосты».

Подробнее содержание данного раздела см. в работах [1, 2, 3].

НА ЗАБАЙКАЛЬСКОЙ, БАЙКАЛО-АМУРСКОЙ

1.1. Условия образования и характер проявления наледей на дорогах

Исследования наледей выполнялись в период 1967—1995 гг. Систематические наблюдения на наледных участках производились на Забайкальской ж.д. в период 1967 — 85 гг., на Байкало-Амурской ж.д. в 1972—90 гг., на Красноярской ж.д. с 1986 по настоящее время.

Физико-климатические условия Забайкалья и Приамурья благоприятны для развития наледей как в естественных условиях, так и при инженерной деятельности человека. На Забайкальской ж.д. выполнено сплошное обследование наледей. Всего было зафиксировано 316 наледей, из которых 171 представляли опасность для искусственных сооружений. Наиболее часто наледи встречаются на участке Чернышевск— Магдагачи, который находится в наиболее суровых климатических условиях. Они образуются поверхностными и подземными водами. В местах выходов глубинных подземных вод часто образуются наледи больших размеров (7058, 7205, 7423 км). Большинство наледей формируется периодически действующими водотоками, питаемыми верховодкой. Дебиты источников,

как правило, небольшие (0,05...0,2 л/с), поэтому и размеры наледей невелики. Наледи площадью 50...1000 м² составляют 52 /о от общего их числа. Всего на участке отмечено 178 наледей, т.е. 60 /о от общего их числа на дороге.

На Байкало-Амурской ж.д. были исследованы наледи на участке Усть-Кут — Чара протяженностью 1000 км и на Малом БАМе от ст. Бамовская до ст. Золотинка (300 км). Расположение наледей по дороге неравномерно, наиболее часто они встречаются на участках Усть-Кут — Нижнеангарск (59 наледей на 400 км) и Витим — Чара (28 наледей на 170 км). Значительное количество наледей отмечено на пересечении Северо-Муйского хребта. Группа больших наледей формируется на склонах Кодарского хребта и в пойме долины реки Чары. От озера Малое Леприндо до реки Верхний Сакукан отмечено девять наледей. Их питание осуществляется трещинно-жильны-ми водами таликов. Толщина наледей перед мостами достигает 3—5 м. Некоторые наледи формируют вдоль дороги гидролакколиты высотой 3—4 м.

На Красноярской ж.д. наледи изучались на линии Между-реченск — Тайшет (213 — 1030 км) и на линии Ачинск — Тигей. Всего обследованиями охвачено более 100 наледей. Наибольшее количество наледей зафиксировано на участке Курагино — Саянская (42 шт). Более половины из них формируются в отверстиях мостов и труб из-за больших теплопотерь водотоками при протекании через водопропускные сооружения.

Рассматривая условия образования наледей на железных. дорогах, можно сделать общие выводы причин их развития, основными из которых являются:

суровый климат, характеризующийся низкими отрицательными температурами и малой величиной снежного покрова;

многочисленные выходы малодебитных источников в подмос-товых руслах, трубах и в полосе отвода железных дорог;

сложность циркуляции грунтовых и русловых вод в зимний период;

большие теплопотери водотоками при протекании их через искусственные сооружения.

Подробнее содержание данного раздела см. в работах [2, 4, 5, 6, 7].

1.2. Типы наледей и их классификации

В настоящее время имеется более 20 классификаций наледей по различным признакам. Одной из первых была классификация М.И. Сумгина (1937 г), характеризующая наледи по генетическим признакам. Дальнейшее развитие эта классификация получила в работах A.M. Чекотилло, А.А. Цвида, В.Н. Макарова (1960 г), СМ. Большакова (1965 г), Е.А. Румянцева (1966 г) и др.

Ни одна из предложенных классификаций ни стала общепризнанной ввиду большого разнообразия природных и климатических факторов, вызывающих наледеобразование.

Рассматривая исследуемые наледи по генетическим признакам, было принято следующее их разделение:

1. наледи поверхностных вод (речные, ручьевые);

2. наледи подземных вод (грунтовые, ключевые);

3. наледи смешанных вод (поверхностные и подземные);

4. наледи талых вод (от снега и льда);

5. искусственные (техногенные) наледи.

Эта классификация согласуется с классификацией С.М.Большакова, рекомендованной ВСН 210-91. Распределение наледей Забайкальской ж.д. по генетическим признакам и размерам представлено в табл. 1.1. Классификации подверглись только наледи, представляющие угрозу для земляного полотна и искусственных сооружений.

Таблица 1.1

Классификация наледей Забайкальской ж.д. по генетическим признакам и размерам

В дополнение к таблице, отметим, что 70% наледей образуется источниками подземных вод. Количество наледей малых размеров составляет 49% т.е. почти половину. Большие и очень большие наледи составляют 17% от общего количества.

Очень важной характеристикой наледей является их степень опасности для пути и сооружений. За оценку опасности наледей принято их прямое воздействие на верхнее строение пути, мосты и трубы, выражающееся в отложении льда на пути и заполнении отверстий водопропускных сооружений.

По степени опасности наледи подразделены на очень опасные, опасные, потенциально опасные и неопасные. Предложенная классификация отличается от рекомендуемой ВСН 210—91, в которой отсутствует понятие потенциально опасных наледей.

Потенциально опасными названы наледи, формирующиеся у искусственных сооружений в отдельные годы (вероятность 0,1 и менее). К потенциально опасным также отнесены наледные участки, на которых построены противоналедные сооружения, выход из строя которых приведет к восстановлению наледной опасности.

Оценка степени опасности наледей на Забайкальской ж.д. по годам наблюдений представлена в табл. 1.2

Таблица 1.2

Классификация наледей по степени опасности для Забайкальской ж.д.

Всего наледей

Из таблицы видно, что общее количество опасных наледей с годами почти не изменяется, несмотря на выполняемые противоналедные работы. Значительно меньше стало объектов с очень опасными наледями. На некоторых из них построены противоналедные сооружения и они перешли в разряд потенциально опасных.

Аналогичные классификации наледей были выполнены для Красноярской и Байкало-Амурской ж.д.

Подробнее содержание данного раздела см. в работах [5, 6, 8].

1.3. Режим формирования наледей

Характер формирования наледей и их размеры на определенный период развития представляют большой интерес как для исследователей, занимающихся проблемами наледеобразования, так и практиков, эксплуатирующих железные и автомобильные дороги. Режимные наблюдения наледей в Забайкалье проводились Ленинградским гидрологическим институтом (ГГИ), Удо-канской экспедицией Читинского геологоуправления и другими организациями. Они выполнялись на наледях, формирующихся в естественных условиях без влияния антропогенных факторов. Транспортников же интересует режим формирования наледей, образующихся на дорогах и в отверстиях искусственных сооружений. Такая работа была выполнена автором на наледях Забайкальской и Байкало-Амурской ж.д.

Режимные наблюдения были выполнены по методике, предложенной В.Р. Алексеевым и Б.Л. Соколовым на наледях грунтовых вод (7143, 7269, 7351 км Забайкальской ж.д.), наледях подземных вод (6396, 7314 км Забайкальской ж.д., 948, 951, 980, 981 км Байкало-Амурской ж.д.), а также наледях смешанного питания (947 км Байкало-Амурской ж.д. и 38 км Рейновской ветки Забайкальской ж.д.). Продолжительность наблюдений составляла 2—4 года.

Анализируя данные наблюдений и полученные графики можно заключить, что грунтовые наледи интенсивно развиваются в начале зимы, при этом первые дни их площади увеличиваются значительно быстрее объемов. В конце ноября интенсивность роста площади и объема выравнивается, а в декабре рост объема наледи превосходит рост ее площади. Это присходит потому, что значительное количество льда наледи откладывается на уже сформированную наледь. Рост наледей грунтовых вод в Забайкалье длится 60...90 дней и заканчивается для большинства случаев в январе.

Характер внутригодового режима наледей, питаемых небольшими источниками подземных вод (трещинные, трещинно-жильные), изучался на склоновых наледях Забайкальской ж.д. Рассматривая результаты наблюдений и графики этого типа наледей можно отметить:

интенсивность нарастания площади и объема наледи сохраняется в течении зимнего периода с постепенным замедлением в конце зимы;

увеличение площади в начале зимы по сравнению с объемом не столь существенно, как на рассмотренной ранее грунтовой наледи. Это связано с условиями растекания наледных вод по склону.

Рассматривая в целом результаты наблюдений за формированием наледей, можно сделать следующие выводы:

графики кривых роста площадей и объемов наледей имеют 5-образную форму, положение кривой на графике и ее форма существенно отличаются в зависимости от генезиса наледи и года наблюдения;

продолжительность периода роста наледей изменяется от 60 до 180 дней в зависимости от источников питания. Наиболее короткий период роста у грунтовых наледей;

площади и объемы по годам за многолетний период наблюдений существенно отличаются. Для наледей подземных вод глубокой циркуляции эти характеристики изменяются в 2,0...2,5 раза. I рунтовые наледи в отдельные годы могут вообще отсутствовать;

графики связи площадей и объемов по времени можно использовать для прогнозирования роста наледи на любой отрезок времени, но в связи с большими изменениями этих характеристик по годам необходимо иметь осреднениые кривые за несколько лет наблюдений и знать величину погрешности при расчетах по ним.

Подробнее содержание данного раздела см. в работах [5, 9].

1.4. Отрицательные воздействия наледей на искусственные сооружения

Наледи и сопутствующие им мерзлотные явления оказывают различные отрицательные воздействия на искусственные сооружения. К ним относятся:

отложение льда на верхнем строении пути и в отверстиях мостов и труб;

силовое воздействие наледей;

физико-химическое воздействие наледных вод на элементы мостов и труб;

обводнение основной площадки земляного полотна;

развитие явлений зимней высоконапорной суффозии грунта.

Отрицательные воздействия наледей на искусственные сооружения и вероятность их появления изучены еще недостаточ-

но. Поэтому автором были выполнены обследовательские и экспериментальные работы для изучения некоторых видов воздействий.

Отложение льда наледи на сооружениях выражается в заполнении отверстий мостов и труб, а также выходе наледи на путь.Так,на Забайкалькой ж.д. в 1971—1985 гг. отмечалось ежегодно от 30 до 48 случаев выхода наледи на верхнее строение пути и от 45 до 60 случаев полного заполнения наледями отверстий мостов и труб. В период строительства и временной эксплуатации Байкало-Амурской ж.д. отмечены случаи схода подвижного состава на наледных участках, вмерзания в наледь тележек подвижного состава на станциях, а также опрокидывания грузовых автомашин и тракторов на притрассовых дорогах.

Силовые воздействия наледей на элементы мостов и труб проявляются в виде горизонтальной термоналедной нагрузки, вызванной температурными изменениями наледного тела, а также при образовании наледных бугров пучения под действием гидростатического давления воды в подрусловых отложениях.

Для определения усилий, возникающих в трубах от термона-ледных воздействий, зимой 1971—1972 гг были проведены эксперименты на двух трубах Забайкальской ж.д. В процессе проведения экспериментов измерение нормальных напряжений и температур в теле наледи осуществлялось датчиками напряжения и температуры, установленными попарно во льду на различных расстояниях от поверхности. Датчики напряжений были ориентированы для измерения горизонтальных усилий, действующих вдоль оси пути. В результате экспериментов получены кривые изменения напряжений и температур на различных глубинах в теле наледи и кривые изменения температур воздуха в трубах и за их пределами (рис.1.1).

Сопоставление кривых напряжений и температур в теле наледи убедительно показывает, что причиной возникновения зарегистрированных напряжений являются температурные изменения. При повышении температуры льда из-за ограничения элементами трубы его расширения в теле наледи возникают сжимающие напряжения, создающие дополнительную нагрузку на трубу.

Результаты, полученные по дополнительным датчикам, установленным на одном уровне в разных направлениях, позволяют

B' I 25 декабре

26 де м-я dp*

\г)іеть^

_щд^~

Рис. 1.1. Кривые изменения напряжений и температур в наледи

считать, что напряжения, возникающие в наледи в направлении поперек и вдоль трубы практически одинаковы. Экспериментами было также установлено, что величина температуры в толще наледи и ее изменение связано, главным образом, с температурой ее поверхности, которая зависит от температуры воздуха в трубе, или температуры наледной воды, покрывающей поверхность наледи при наледеобразовании. Колебания температуры воздуха вызывали в наледи меньшие напряжения, по сравнению с периодами протекания наледных вод по ее поверхности. Наибольшие по абсолютной величине значения напряжений возникают в верхней зоне наледи, которая, таким образом, играет главную роль в возникновении термической нагрузки. Продолжительность нахождения наледной воды на ее поверхности имеет определяющее значение в формировании максимальной термоналедной нагрузки.

Рассматривая результаты эксперимента, можно сделать следующие выводы:

температурные изменения во льду, вызванные суточными колебаниями температуры воздуха и периодическим появлением наледной воды на поверхности наледи приводят к возникновению в теле наледи термических напряжений. Максимальные напряжения, полученные в поверхностном слое при пятичасовом «прогреве» наледи наледеобразующим источником достигали 0,85 МПа, а максимальное усилие на трубу составило 190 кН/м;

активная зона наледи, создающая термоналедную нагрузку, распространяется на глубину до 30...45 см;

основными факторами, влияющими на величину напряжений, являются амплитуда колебания и скорость изменения температуры льда в каждый момент времени, а также продолжительность изменения этих факторов;

лед является упруго-вязким телом. Величины напряжений, замеренных во льду, в несколько раз меньше тех, что должны были бы возникнуть в предположении упругой деформации льда. Наибольшие значения сжимающих напряжений наблюдаются раньше, чем наибольшие значения температуры, они возникают в тот момент, когда уменьшающаяся во времени скорость изменения температуры становится недостаточной для дальнейшего увеличения напряжения;

рассматриваемая термоналедная нагрузка является временной. Она соизмерима с усилиями, действующими на сооружения от

других видов нагрузки (постоянных и временных), и поэтому должна учитываться в расчетах сооружений при их проектировании. Термоналедная нагрузка в кН на единицу длины соприкосновения тела наледи с сооружением, возникающая вследствии температурного расширения тела наледи, приближенно может быть определена по предлагаемой формуле

а.

< я -Н^

я.

1 +

я

(1)

где, а_с — расчетное напряжение, среднее при треугольной по

вертикали эпюре напряжения и наибольшем значении нагрузки. В первом приближении оно может быть принято равным 490 кН/м²; Я — толщина активного в температурном отношении верхнего слоя, принимаемая равной 0,4 м; Я — толщина эффективной в отношении возникновения термического усилия зоны наледи,принимаемая равной толщине наледи в пределах сооружения при Я большей этой толщины и равной Я при толщине наледи, превышающей толщину активного слоя.

Чтобы установить величину деформаций элементов оттермо-наледной нагрузки 2—3 апреля 1974 года на входном оголовке одной из труб Забайкальской ж.д. были замерены перемещения частей оголовка путем измерения раскрытия трещины. Сквозная трещина, проходящая выше наледи, разделяла открылок оголовка на две части. Верхняя часть вместе с частью порванного звена трубы была как бы заанкерена в мерзлый грунт насыпи. Нижняя часть трубы воспринимала термоналедную нагрузку и перемещалась относительно верхней части. Для замера изменения раскрытия трещины был установлен индикатор марки ИД—1 с точностью отсчета 0,001 мм. Рядом был установлен компенсационный индикатор и ртутный термометр. Отсчеты по приборам брались в течении суток. Перепад температуры воздуха за сутки составил 17,6С от +6,4 в 16 часов до — 11,2С в 7 часов утра. Характер изменения температур и деформаций подтверждает их зависимость друг от друга. При скорости изменения температуры 3...4 град.С в час величина зазора стала резко изменяться. Максимальное перемещение нижней части относительно верхней составило 0,106 мм.

Для весеннего периода в Забайкалье характерны резкие суточные перепады температуры, превышающие по абсолютной величине 30. В таких условиях следует ожидать величину перемещений до 0,2...0,3 мм.

Таким образом, иолученые данные подтверждают значительность термоналедных усилий, которые наряду с другими видами нагрузок и воздействий деформируют элементы мостов и труб.

Образование гидолакколитов около мостов и труб связано, с одной стороны, с локализованным выходом подземных вод, с другой — с экранирующим влиянием фундаментов сооружений на подрусловой поток. Развитие гидролакколитов в основаниях сооружений приводит к значительным их деформациям, а иногда и разрушениям.

Физико-химическое влияние наледи заключается в следующем. Послойное намораживание наледи вызывает концентрацию солей в верхнем слое наледи. Это увеличивает агрессивность среды, способствует растворению и вымыванию отдельных составляющих бетона.

Обследованиями состояния мостов и труб на водотоках с наледями установлено, что качество поверхностного слоя бетона в зоне действия наледи ниже, чем в обычных условиях. Это выражается в повышенной пористости бетона, наличии сколов, трещин и отслаивания штукатурки.

Ухудшение состояния поверхностного слоя бетона должно было отразится на его прочности. Поэтому было решено проверить поверхностную прочность бетона путем простукивания его молотком Кашкарова или склерометром Шмидта. Работа выполнялась в 1975 — 1984 годах. Было испытано 72 элемента мостов и труб. На каждом из элементов сооружений определялась прочность бетона в зоне действия наледи и за ее пределами.

Проведенные испытания дали следующие результаты:

в 60% случаев прочность бетона в зоне наледи снижается более чем на 15%;

в остальных случаях прочность бетона в зоне наледи отличалась от прочности бетона вне ее в пределах точности измерений. Величина погрешности, определенная из анализа отклонений коэффициентов вариаций, составила 15% от замеренных величин прочности.

Таким образом, в большинстве случаев было отмечено снижение поверхностной прочности бетона в зоне действия наледи.

Обводнение основной площадки земляного полотна и тела насыпи происходит в связи со сложностью, а иногда и невозможностью разгрузки подземных вод зимой. Глубокое сезонное промерзание русла водотоков приводит к слиянию сезонной и многолетней мерзлоты на поймах. При этом происходит пере-мерзание подрусловых потоков и участков циркуляции подземных вод. Испытывая гидростатическое давление, вода по трещинам и дренирующим слоям устремляется в талики насыпей, обводняя их. На Забайкальской ж.д. было отмечено более 20 случаев проявления напорных подземных вод. С этим связано также явление зимней высоконапорной суффозии грунта, наблюдаемой Е.А. Румянцевым на Керакской наледи.

Подробнее содержание данного раздела см. в работах [10, 11, 12].

1.5. Характерные деформации труб на водотоках с наледями

Отрицательное воздействие наледей на техническое состояние мостов и труб отмечалось в работах многих авторов,но систематизации поврждений и наблюдений за развитием деформаций не производилось.В связи с этим на Забайкальской ж.д. были выполнены наблюдения за развитием деформаций на 25 трубах. По результатам обследований были установлены наиболее характерніше пов-

режденя-, -элементов тру;⁴ к частота их проявления, которые представлены в табл. 1.3.

Наиболее существенные повреждения отмечены у оголовков труб и у крайних звеньев. В них особенно часто наблюдаются горизонтальные и косые трещины, а также трещины но

Таблица 1.3 Повреждения водопропускні» тру^і

контакту железобетонного звена с оголовком. Величина раскрытия трещин достигает 20 мм и более. Раскрытие косых трещин в открылках оголовков увеличивается в средней части.

Из других часто наблюдаемых деформаций следует отметить растяжку звеньев труб, суммарная величина которой достигает 100—150 см, а раскрытие отдельных швов до 30 см.

Основной причиной столь многочисленных повреждений труб является неучет в расчетах силовых воздействий, возникающих от морозных явлений. Некоторые повреждения возникают из-за нарушения технологии строительства, особенно на трубах, сооружаемых на вечномерзлых грунтах с устройством основания но принципу I.

Образование горизонтальных и наклонных трещин на открылках оголовков и концевых звеньях труб происходит от сил морозного пучения грунтов и силовых воздействий наледей. Касательные силы, возникающие на контакте элементов труб с наледями, вызывают неравномерные перемещения и деформации сооружений. Образующиеся в основаниях труб гидролакколиты отрывают открылки от фундаментов и перемещают их, вызывая деформации как самих оголовков, так и примыкающих к ним звеньев труб.

Проследим раскрытие косых и горизонтальных трещин в открылках трубы 7205 км Забайкальской ж.д. Оголовки этой трубы были переустроены в 1973 году в связи с большими повреждениями, вызванными пучением и воздействием наледей. На открылках оголовков трещины появились в 1974 г., а в 1975 г. весной они достигли: на восточном открылке 1,0 мм, на промежуточном 5,2 мм, на западном 3,2 мм. Через 10 лет после реконструкции эти трещины имели раскрытие соответственно 34,5; 16,0 и 14,0 мм (рис.1.2). Рассматривая рост раскрытия трещин промежуточного открылка по годам наблюдений, отметим, что за первые 4...5 лет раскрытие трещин увеличивалось на 2...4 мм в год. В дальнейшем темп раскрытия трещин замедлился и составил 0,5...1,0 мм в год.

Изменение размеров раскрытия трещин в годовом промежутке времени происходит на графике зигзагообразно. Максимальное раскрытие трещин наблюдается в конце зимы, в связи с ростом гидролакколита в основании оголовка. В летний период, после оттаивания грунта и схода наледи открылок под собствен-

iOkOO

&Ч Sf ^Г'^Г0АЫ

J9Ti 75 76

77 78 79 30 61 &Z

Рис. 1.2. a — схема трещин на оголовке трубы 7205 км; б — изменение раскрытия трещин (5, мм) толщины наледи (Л , м) и сумм отрицательных температур (Е/, 10³С) во времени; Б, С, Б — раскрытие трещин в точках.

ным весом стремится вернуться в прежнее положение и трещина частично закрывается. Амплитуда изменения размеров трещины при этом достигает 4...6 мм. Аналогично развивались трещины в открылках других труб.

Проведенные многолетние наблюдения за характером развития повреждений и величины раскрытия трещин позволили уточнить их численные значения и динамику накопления повреждений в многолетнем цикле.

Подробнее содержание данного раздела см. в работе [12].

1.6. Водно-тепловой режим наледеобразующих источников и водопропускных сооружений

Водно-тепловой режим водотока является главным фактором, определяющим особенности развития и формирования наледного процесса. Одной из составляющих теплового баланса водотока является теплообмен через дно. При теплотехнических расчетах наледеобразующих источников важно знать, является ли составляющая теплообмена водотока с дном величиной отрицательной или положительной. Для линии Тайшет—Лена, характеризующейся отсутствием или очаговым расположением многолетней мерзлоты, Меркуловым Д.М. был установлен теплоп-риток через дно водотока, равный в среднем 3 вт/м² -час.

С целью изучения температурного режима наледеобразующих водотоков Забайкалья, характеризующегося наличием сплошной вечной мерзлоты и особенностями климата, были выполнены экспериментальные работы по измерению придонных температур водотоков, а также температур грунтов на глубине 1,0...3,5 м под водотоками и на пойме.

Было установлено, что дно водотоков на протяжении 4—5,5 месяцев имеет отрицательную температуру. На малых водотоках, как правило, происходит слияние вечной и сезонной мерзлоты. Обращают на себя внимание значительные отклонения сроков перехода придонных температур через ноль но годам наблюдений, а также большой разброс значений температур на одну и ту же дату наблюдений. Причиной этого является значительное колебание климатических факторов (высота снежного покрова, температура наружного воздуха, скорость ветра и т.д.).

Расчеты теплопотерь на малых водотоках дали следующие результаты: в ноябре теплопотери через дно увеличиваются от

О до 5 вт/м² -час; в декабре они составляют 8...34 вт/м² -час; в январе—феврале достигают 45...63 вт/кв.м.час. Полученные значения теплопотерь были использованы при теплотехнических расчетах.

Представляет интерес температурный режим наледи в трубах при колебаниях суточных температур и в периоды протекания наледных вод по поверхности наледи. Эксперимент по определению температур в наледи проводился на трубах Забайкальской ж.д.

В результате экспериментов было получено:

амплитуда колебания температуры льда на глубине 40 см при отсутствии воды на льду составляла в сутки не более 1С (от —13 до —14), а на глубине 4 см соответственно 6 (от —16 до -22);

при кратковременном выходе воды на лед (около 1 час) расходом 0,3 л/с температура льда на глубине 40 см практически не изменилась ( — 14), а на глубине 4 см поднялась на 13...14 (от -22 до -8);

скорость изменения температуры поверхностного слоя (до 5 см) в естественных условиях составляла 0,7 в час, а при появлении воды на льду достигала 10...12 в час;

при длительном (5 часов) протекании воды по льду амплитуда колебания температуры льда на глубине 40 см составила 1,5 (от —11 до —9,5), а на глубине 4 см —12 (от —15 до —3).

Изменение температур льда было показано на рис. 1.1. Полученные результаты могут быть использованы при теплотехнических расчетах, а также при расчетах термического давления льда наледи на трубу.

Изучение водно-теплового режима в трубах необходимо для совершенствования расчетов противоналедных сооружений, обеспечивающих безналедный пропуск водотоков. На Красноярской ж.д. более 80% наледей формируются в отверстиях труб. Причина тому — распластанное протекание водотока по бетонному лотку трубы и отмостке русла, а также отсутствие в трубе естественной теплоизоляции в виде снега и растительного чехла.

Для уточнения некоторых характеристик теплового баланса в 1986—90 гг. на Красноярской ж.д. было оборудовано для наблю-едний 9 труб на участке Кошурниково—Тайшет. Трубы на зиму закрывались утепляющими щитами, представляющими деревян-

ную рамку, обернутую несколькими слоями рубероида или зашитую листовым пенопластом. Открытый водоток в пределах оголовков закрывался горизонтальными щитами.

В результате проведенного эксперимента для труб, закрытых щитами, получено:

температура воздуха в трубах и грунта вокруг звеньев на участках с постоянными водотоками положительная в течении всей зимы и составляет 0,1...2,4С (589, 668, 925,1016,1020 км);

положительная температура воздуха возрастает от оголовка к середине трубы от 0,2 до 0,5С;

дно лотка в утепленных трубах имеет положительную температуру, значения ее колеблются от 0,15 до 1,6С;

температура воды в трубе в зимний период составляла 0,0... 0,2С.

В трубах с периодическими водотоками (587, 663 км), закрытых на зиму щитами, температура воздуха в трубе имела зимой отрицательные значения, равные —-2...—4С на концах трубы и —1...—1,5С в средней части. Придонные температуры грунта (на глубине 0,3...0,5 м) в таких трубах имеют значения, близкие к нулю.

По результатам температурных наблюдений за режимом водотоков подсчитаны значения теплоприхода (Q ) через дно водотока. В среднем они составили для закрытых труб с постоянным водотоком 6 вт/кв.м час. При теплотехнических расчетах для аналогичных условий температура воздуха на концевых участках может быть принята 0,2С, а в средней части трубы 0,5С. Температура лотка в трубе равняется 0,4...0,6С. Уравнение теплового баланса водотока, протекающего в закрытой трубе, с достаточной для практических целей точностью, можно представить в виде

Q = + Q„ + Q. - Q„ - Q.. (2)

где Q — теилопотери водотоком; Q — поступление тепла через дно водотока; Q_m — выделение тепла за счет трасформации механической энергии в тепловую; Q — теплообмен конвенк-цией; Q — потери тепла за счет испарения. Подробнее содержание данного раздела см. в работах [9, 11, 13].

1.7.Вероятностно-аналоговый и физический прогнозы образования наледей

Прогнозирование наледной опасности заключается в установлении качественных и количественных характеристик наледей, формирующихся как в естественных условиях, так и на объектах человеческой деятельности. Прогноз осуществлятся на основе использования закономерностей наледного процесса, обусловленных климатическими, орографическими, гидрогеологическими, мерзлотными и техногенными факторами. Влияние множества факторов на наледный процесс существенно осложняет решение задач прогнозиования.

При новом строительстве дорог для установления наледной опасности может быть применен метод инженерных аналогий, который предполагает использование закономерностей развития наледных процессов как результат взаимодействия комплекса природных факторов и искусственных сооружений. В качестве аналога необходимо принимать районы с характерными, достаточно хорошо изученными климатическими, гидрогеологическими и наледными условиями. Закономерности развития наледных процессов в пределах эталонных наледных участков распространяются на участки со сходными природными и техногенными условиями.

Вероятностно-аналоговый прогноз был выполнен для Центрального Забайкалья по материалам многолетних исследований этого региона. В качестве аналога были проанализированы наледи у искусственных сооружений Забайкальской ж.д. на участке Петровский Завод — Зилово, а также некоторые наледи, обследованные на автомобильных дорогах.

Наледный прогноз осуществлялся по группам наледей, классифицированных по типу вод, их формирующих, на речные, грунтовые, ключевые (подземных вод) и смешанного питания. В качестве примера рассмотрим прогноз образования ключевых наледей.

Выборка для ключевых наледей состояла из 138 случаев. Учитывая достаточно большое количество наблюдений, за вероятность события с некоторой условностью может быть принята частость. Матрица распределения наледей по толщинам представлена в табл. 1.4.

Таблица 1.4 Рассматривая таблицу
Вероятность (частость) образования распределения наледей, за-
ключевых наледей определенной ключаем:

вероятность образования наледей толщиной 5 м и более составляет 0,7 /о;

наледи толщиной свыше 4 м составляют 4,3 /о;

основная масса наледей подземных вод имеет толщину 1...3 м (84,1% случаев). Для грунтовых наледей прогнозом было установлено, что вероятность образования наледи толщиной 2м составляет около 2%. Таким образом, используя полученные результаты, можно, при проектировании искусственных сооружений, обеспечить свободный пропуск наледей с необходимой вероятностью.

Исследованиями, выполненными на Забайкальской и Байкало-Амурской железных дорогах, установлено, что на размеры наледей определяющее значение оказывают гидрометеорологические факторы. К числу наиболее значимых факторов отнесены: сумма осдков, выпавших в предшествующий наледсобразованию теплый период года, сумма отрицательных температур воздуха за период наледе-образования и величина снежного покрова.

Для установления зависимости размеров наледи от климатических факторов были выполнены многолетние наблюдения на 50-ти наледях Забайкальской ж.д. с продолжительностью наблюдений 6^_ 15 лет.

Для установления количественных связей были выполнены расчеты на ЭВМ по стандартной программе регрессионного анализа. Для получения общих закономерностей несколько наледей объединяли в одну матрицу. Правомерность такого подхода была доказана О.Н. Толстихиным и Б.Л. Соколовым. Чтобы объединить несколько значений в одну матрицу, необходимо действительные значения факторов перевести в модульные коэффициенты, равные отношению каждого отдельного значения к его среднему значению за многолетний период

наблюдений. С этой целью были подсчитаны средние многолетние значения климатических данных, а также средние многолетние значения объемов и толщин наледей.

В расчетах устанавливалась связь толщин и объемов наледей с тремя метеорологическими факторами: летними осадками (Х^), температурой воздуха (X ) и толщиной снежного покрова (Х₃). Сумма атмосферных осадков бралась за период июнь—сентябрь предшествующего наледеобразованию теплого периода в мм. Температура воздуха подсчитывалась как сумма отрицательных среднесуточных температур за период наледеобразова-ния. Толщина снежного покрова принималась как средняя для данного периода наледеобразования в см.

В табл. 1.5 приведены некоторые из полученных регрессионных уравнений связи объемов и толщин наледей от отдельных факторов и их совместного воздействия.

Рассматривая полученные уравнения влияния отдельных факторов на размеры наледей, можно сделать следующие выводы.

Влияние предшествующего увлажнения на размеры наледей выражается линейными и параболическими уравнениями вида

Z = a + ЬХ^г и Z = а + ЬХ + сХ².

Две трети полученных зависимостей дают увеличение толщины наледи с увеличением сумм осадков. Это объясняется тем, что большинство наледеобразующих источников, имея больший по сравнению со средним значением дебит, полностью перемерзают и переходят з наледь.

Для получения количественных зависимостей влияния температуры воздуха на объем наледи выбраны годы с одинаковыми величинами осадков и снежного покрова. В 34 случаях из 63 утановлено увеличение объема с увеличением суммы отрицательных температур (уравнение 2 табл.1.5), 27 случаев дают обратный результат (уравнение 3 табл.1.5).

Влияние снежного покрова на размеры наледей также не однозначно. Для большинства наледей грунтовых вод увеличение снежного покрова приводит к увеличению толщины наледи (уравнение 5 табл.1.5); напротив, наледи на постоянных источниках, питаемых подземными водами, с увеличением снежного покрова уменьшаются (уравнение 6 табл.1.5).

Таблица 1.5

Уравнения связи объема и толщины наледи с гидрометеорологическими факторами

Примечание: Y — модульный коэффициент объема наледи; Z — толщина наледи; Z — модульный коэффициент толщины наледи; X, , X, , Х_} -^_соитвехственно сумма осадков, мм;сумма отрицательных температур, С ; толщина снежного покро'иа, см; X. ,Х₂,Х, — соответственно модульные коэффициенты суммы осадков суммы отрицательных температур и толщины снежного покрова.

Одновременное влияние трех факторов устанавливалось как для конкретных наледей, так и генетически однородных групп. Для конкретных наледей были получены уравнения связи по 43 объектам (например, для 6928 км Забайкальской ж.д. уравнение 7 табл.1.5). Общие уравнения связи получены для трех групп наледей: грунтовых, ключевых и ключевых малого дебита. Значения факторов общих формул переведены в модульные коэффициенты. Матрица для каждой из однородных групп объединяла 140—150 случаев. Полученные уравнения связи представлены формулами 8,9,10 табл.1.5.

Рассматривая полученные уравнения связи,можно сделать следующие выводы. Частные уравнения достаточно точно описывают связь толщины и объема наледи от климатических факторов и могут использоваться для прогнозирования размеров наледей. Общие уравнения связи для наледей определенного генезиса дают погрешность до 30...40 /о. Разброс знаечний в общих формулах можно объяснить большой индивидуальностью формирования отдельных наледей под воздействием неучтенных факторов. Общие зависимости могут использоваться для приближенных расчетов.

Подробнее содержание данного раздела см. в работах [2, 7].

2.1. Требования к конструкциям малых искусственных сооружений на водотоках с наледями

Повышенная деформативность искусственных сооружений на водотоках с наледями отмечалась многими исследователями (Д.М. Меркулов, В.В. Нижевясов, Б.В. Уткин, Е.А. Румянцев, В.Г. Петров, В.А. Дементьев и др.). На Забайкальской ж.д. это наглядно подтвердилось при анализе результатов обследований. Несмотря на то, что количество труб, подверженных наледным воздействиям, составляет всего около 10 /о от их общего числа, 90% неисправных труб располагается именно на водотоках с наледями.

Строительные нормы и правила на проектирование мостов и труб (СНиП 2.05.03—84) устанавливают основные положения и требования по проектированию мостов и труб на наледных

участках, но они не охватывают всего круга вопросов, а некоторые из них не отличаются конкретностью. Поэтому проектировщики испытывают большие трудности в назначении размеров водопропускных сооружений и расчетах сооружений на силовые воздействия. Основываясь на результаты обследований и наблюдений большого количества искусственых сооружений с наледями, можно высказать некоторые соображения по совершенствованию их конструкций.

Типовые конструкции укрепления русел перед водопропускными сооружениями многократно увеличивают теплопотери водотоком за счет распластанного протекания но отмостке. Поэтому на участках с возможным наледеобразованием тепло-потери водотока при протекании в пределах водопропускных сооружений не должны превышать естественные.

При выборе места перехода нежелательно выносить ось трубы за пределы установившегося русла.

Многие переустраиваемые трубы на наледных участках сооружаются без учета силовых воздействий наледей и морозного пучения. Поэтому нередко вновь построенные трубы через 3...5 лет получают разрушительные деформации. Чаще всего разрушаются оголовки труб. Учитывая сложную схему сил,, действующих на оголовки,следует их проектировать железобетонными, способными противостоять возникающим усилиям.

При переустройстве труб на слабых грунтах с прослойками линэовидного льда возможно применение свайных фундаментов с заглублением ростверка ниже границы сезонного промерзания. Для наледных условий может найти применение «Технический проект косогорных прямоугольных труб со сборными фундаментами для условий БАМ». За счет планировки косогора насыпным грунтом продольная ось трубы выполаживается. Это позволяет уменьшить длину трубы, а также изолировать ее от подземных вод, циркулирующих в основании насыпи.

Для уменьшения растяжки труб, а также предотвращения поступления наледных вод через деформационные швы целесообразно произвести экранирование ее звеньев по периметру или выполнить объединение блоков фундамента по длине. Растяжку можно уменьшить также применением фундаментов с наклонными сваями.

При проектировании и строительстве свайно-эстакадных мостов на наледных участках необходимо предусматривать противопучинные мероприятия. В сомнительных случаях сваи надо заменить столбами с анкерными устройствами.

Подробнее содержание данного раздела см. в работах [5,14,15,16].

2.2. Виды противоналедных сооружений и условия их применения

Противоналедные сооружения и мероприятия принято делить на временные и постоянные.

К временным отнесены такие меропрятия и устройства, которые обеспечивают противоналедную защиту на срок от нескольких суток до 1—3 лет.

К постоянным отнесены противоналедные сооружения, возведенные по специальным проектам и работающие продолжительный срок. По принципу работы постоянные противоналедные сооружения и устройства предлагается подразделить на группы, обеспечивающие:

безпаледный пропуск водотоков;

задержание наледи;

комбинацию предыдущих способов;

свободный пропуск наледи.

Предлагаемая классификация способов борьбы с наледями приведена на рис. 2.1. Рассмотрим условия применения различных способов.

Временные противоналедные мероприятия и устройства целесообразно применять при ограниченном сроке их действия, например, для защиты строящихся объектов или временных искусственных сооружений. На действующих дорогах временные противоналедные устройства используются при неожиданных наледепроявлениях, а также на участках, где наледи формируются весьма редко и в небольших размерах. Конструкция постоянных противоналедных сооружений определяется проектом.

При рассмотрении вариантов противоналедных устройств предпочтение следует отдавать безналедному пропуску водотоков.

Удерживающие противоналедные сооружения целесообразно возводить на водотоках, расходы которых в зимний период резко сокращаются, а температура воды приближается к нулю. Возможность применения удерживающих противоналедных со-

оружении рассматривается с учетом ожидаемых объемов наледи и рельефа местности.

Комбинированные способы борьбы с наледями основаны на взаимозаменяемости различных противоналедных сооружений, ввиду изменения расхода водотока и теплопотерь в зимний период. В соответствии с этим определяются конструкция и размеры комбинированного противоналедного сооружения.

Свободный пропуск наледей целесообразно применять на постоянных водотоках, образующих наледи больших размеров от вод различного генезиса. В большинстве случаев такие водотоки протекают по широким, плохо организованным галеч-никовым руслам. При строительстве Байкало-Амурской ж.д. свободный пропуск наледи применялся достаточно часто.

Изменение направления трассы

Мерзлотный Н пояс

Дренаж и забор

Бал и

Н лоток

Наледный ) пояс

) Забор

Затворы и теплоизоляция

Вале ! »j экраном і

и мероприятий

КОМБИНИРОВАНЫЕ ПРОТИВОНАДЕД-HUE СООРУЖЕНИЯ

Сосредоточение в открытом русле

Лотки (открытые, закрытые,)

Дренажно-водоот-водные сооружения

Водопонижение насосами

) Тепловая мелиорация и обогрев

Тампонаж ' источников і

Затвор

Рис. 2.1. Классификация способов борьбы с наледями

Для облегчения задачи выбора необходимого противоналедного сооружения разработаны блок-схемы, примеры которых приведены на рис. 2.2.

БЛОК - СХЕМА 1 (начала J

БЛОК - СХЕМА 2 ( Начало J

/ввод исходных давких/ у Ввод исходных данных /

Вычисление В

Вычисление V

Вычисление V,|

Комбинированное сооружение

Сосредоточенный пропуск водотока

Удерживающее сооружение

Удерживающее сооружение

Рис. 2.2. Выбор и расчеты противоналедных сооружений: В — ширина водотока; V — объем наледи удерживаемый; V — объем наледи расчетный; L — расстояние от начала наледообразования до удерживаемых сооружений; /і_н — толщина наледи; L — длина участка наледного пояса; F —

ширина участка нарушенного русла.

площадь нарушенного русла; В

Подробнее содержание данного раздела см. в работах Г14, 15, 17, 18, 19].

2.3. Сооружения по безналедному пропуску водотоков

Безналедный пропуск водотоков обеспечивается путем:

концентрации и спрямления русел водотоков при протекании их в пределах мостов, труб и полосы отвода;

устройства обычных и утепленных лотков, дренажей, коллекторов, каптажей и выпусков;

подогрева воды различными энергетическими приборами;

водопонижения за счет откачки воды насосами;

утепления водопропускных сооружений теплоизолирующими щитами, а также другими способами.

Широкое применение противоналедных дренажей в Забайкалье затруднено организацией разгрузки наледеобразующих вод на выходе. Нередко выход дренажа полностью закупоривается наледью, что приводит к подъему уровня подземных вод и разрушению водоотводной части дренажа.

Для устойчивой работы дренажей в зимний период можно рекомендовать:

сброс воды в рыхлые отложения поглощающим фильтром;

подогрев воды;

откачку воды насосами;

отвод воды фильтрующими выпусками.

Для определения эффективности рекомендуемых способов на Забайкальской и Байкало-Амурской ж.д. было выполнено опытное строительство некоторых водоотводных сооружений, а также изучен имеющийся опыт борьбы с наледями.

Рис. 2.3. Конструкция фильтрующего выпуска

Длина и высота выпуска рассчитываются из условия формирования наледного массива на безопасном расстоянии от ограж-

Для Забайкальской ж.д. НИИЖТом были разработаны и внедрены конструкции горизонтальных поглощающих фильтров и фильтрующих выпусков, обеспечивающих отвод подземных вод из дренажей. Два опытных сооружения были построены на 7141 и 7145 км в конце 70-х годов и зарекомендовали себя положительно. Конструкция фильтрующих выпусков состоит из вала, отсыпанного дренирующим материалом (гравий, керамзит, шлак), в основании которого проходит дренажная труба. Поверхность фильтрующего вала была укреплена плитами из пористого бетона (рис. 2.3).

даемого сооружения. Они зависят от расхода водотока в зимний период, уклонов лога и склонов, поглощающей способности грунтов, расположенных в основании выпуска, а также условий протекания воды за пределами выпуска.

На основании опытного строительства, а также приближенных расчетов, размеры выпуска при отсутствии поглощения воды в подстилающие слои рекомендуется принимать из табл. 2.1.

При наличии в основа-

нии фильтрующего выпуска грунтов, способных поглощать часть расхода, длина выпуска может быть сокращена в 2—3 раза.

Если фильтрующий выпуск работает как горизонтальный фильтр, т.е. полностью поглощает водоток, то его длина (L) определится из предлагаемой зависимости

L =

Таблица 2.1

+ А,

(3)

Длина фильтрующего выпуска (м) высотой 2 м

где Q — расход водотока; k — коэффициент фильтрации грунта; / — напорный градиент; В — ширина активной части фильтра; А — величина промерзания фильтра на конец зимы.

Оригинальные противоналедные сооружения по безналедно-му пропуску водотоков были запроектированы и построены совместно с Сибгипротраисом и Нижнеангарсктрансстроем на БАМе (перегон Муякан—Лапро) для защиты дороги от двух природных наледей, которые со строительством притрассовой автодороги соединились и значительно активизировались. Длина наледи вдоль дороги равнялась 1600 м, максимальная толщина — 4,2 м, а площадь — 585 тыс. м². Она препятствовала движению автотранспорта и строительству железной дороги. Наледь образовывали ручьи, питаемые зимой глубинными подземными водами с расходом 20...30 л/с, а также небольшими надмерзлотными источниками, функционирующими в первой половине зимы.

Первое противоналедное сооружение было построено в 1981 г. Оно состоит из двух ветвей дренажа, длиной 210 и 282 м и

водоотвода, протяженностью 392 м. Второе противоналедное сооружение было построено в 1982 г. на 663 км. Основное водоотводное сооружение было выполнено в виде железобетонного коллектора из труб диаметром 1,0 м, заглубленных в грунт на 2,0...2,5 м. Длина коллектора 310 м, уклон русла 0,02. Для уменьшения тсплопотерь сверху над коллектором был отсыпан вал из местного грунта высотой 1,0 м. Продолжением коллектора явился крытый деревянный лоток, длиной 85 м, обеспечивающий безналедное протекание водотока на выходе. Оригинальную конструкцию имеет головное каптирующее устройство, направляющее поверхностный водоток в коллектор (рис 2.4). Вода через решетку поступает в приемный колодец, который соединяется с коллектором. Размеры каптирующего устройства расчитаны таким образом, чтобы исключить работу коллектора в напорном режиме. Наблюдения, выполненные в 1982...1987 гг., подтвердили эффективность построенных про-тивоналедных сооружений.

1-і

Рис. 2.4. Конструкция капатажа' на 663 км:: 1 — смотровой колодец; 2 — железобетонная труба; 3 — приемный колодец; 4,— направляющая стенка; 5 — деревянная решетка; 6 — мощение откосов; 7 — коллектор.

На основании опыта эксплуатации этих сооружений можно сделать следующие выводы.

Каптажно-дренажные сооружения в условиях вечной мерзлоты успешно осуществляют безналедный пропуск водотоков, имеющих устойчивый дебит в течении всего зимнего периода.

Каптирование поверхностных надмерзлотных источников возможно с помощью локальных каптажей, обеспечивающих минимальные теплопотери и надежный впуск воды в дренажную сеть.

На трубах Красноярской ж.д. проведены экспериментальные работы по изучению температурного режима закрытых на зиму отверстий водопропускных сооружений. Для снижения теплопо-терь водотоком при протекании в трубе были разработаны конструкции легких съемных щитов, пригодных для многократного применения. Предлагаемые конструкции утепляющих щитов успешно эксплуатируются на Тагульской, Саянской и Кошурников-ской дистанциях пути и рекомендованы для широкого применения.

В районах с суровым климатом и малой величиной снежного покрова безналедный пропуск водотоков удается осуществить за счет дополнительного обогрева водопроводящих сетей различными электронагревательными приборами. С этой целью используются трубчатые нагреватели (ТЭНы), линейные нагреватели (греющий кабель, провод, коксоальные нагреватели) и калориферы.

Обогрев водоотводов ТЭНами рекомендуется производить в местах с устойчивым уровнем вод, например, в смотровых колодцах или специальных тепляках при выпуске водотока на поверхность. Ввиду большой удельной мощности ТЭНов (до 30 Вт/см²) в местах обогрева возникают значительные местные теплопотери в воздух, что делает их менее экономичными по сравнению с линейными нагревателями.

Линейные нагреватели обеспечивают равномерный обогрев водоотводов на необходимой длине. Греющий кабель можно уложить непосредствено в трубе или лотке, уменьшив этим теплопотери в воздух. Линейные нагреватели должны удовлетворять требованиям: теплостойкость изоляции при продолжительном нагреве, водостойкость и механическая прочность. Для обогрева водоотводных сооружений можно рекомендовать кабели марок НКМС, КМЖВ, ЭНГЛВ-180, КНРПВ, а также провода ПТПЖ, ВМВЖ и др.

Расчет кабеля заключается в определении мощности тепловыделения единицы его длины при заданных теплопотерях водотоком.

Греющий кабель в настоящее время дефицитен, поэтому были рассмотрены и экспериментально проверены возможности применения линеного нагревателя, выполненного неизолированным проводом. Экспериментальные работы по обогреву проводились с алюминиевым проводом марок А50...А70, а также стальным проводом (круглая арматура, ст.З), сечением 78 мм².

Электрообогрев неизолированным проводом осуществлялся подключением его к нагрузке через сварочный тренсформатор. Расчет греющего провода заключается в выборе трансформатора необходимой мощности и в определении тепловыделения единицы длины провода.

Расчетная мощность трансформатора (Р ) определяется по формуле

Г\_п -cos(p k_r ^v '

где Р — мощность нагревателя; Г| , cos(p и k соответственно КПД, коэффициент мощности трансформатора и коэффициент условия работы.

Сопротивление провода приближенно подбирается по номинальным величинам силы тока и напряжения трансформатора. По сопротивлению подбирают сечение провода и уточняют длину нагревателя. Тепловыделение провода определяется по известной формуле электротехники.

Экспериментальные работы, проведенные на стенде, а также на реальных наледных участках Забайкальской и Красноярской ж.д. подтвердили приемлемость расчетных зависимостей и эффективность рассматриваемой схемы электрообогрева, а также се безопасность. Тепловыделение, замеренное на опытных объектах, отличалось от расчетного не более чем на 20%.

Подробнее содержание данного раздела см. в работах [15,16,

18, 20, 21, 22, 23]

2.4. Конструкция удерживающих противоналедных сооружений.

Для задержания наледи в установленном месте применяют противоналедные валы и заборы, мерзлотные и наледные пояса, водонепроницаемые экраны, противоналедные затворы и другие устройства.

Анализ работы 50 постоянных противоналедных валов и заборов, построенных на линиях Ургал—Известковая, Абакан—Тайшет—Лена, Карымская—Талдан показал, что удовлетворительно работают только 9 сооружений, т.е. менее 20%. По сведениям А.А. Цвида для Дальнего Востока эффективность противоналедных валов и заборов также невелика и составляет 43%, а мерзлотных поясов — 33%.

Причинами неудовлетворительной работы многих удерживающих противоналедных сооружений являются:

ошибки проектировщиков в выборе способа противоналедной защиты;

недостатки в конструкции некоторых элементов удерживающих устройств или их отсутствие;

низкое качество строительства противоналедных сооружений.

Для Красноярской ж.д. основная причина плохой работы валов и заборов кроется в обилии снега, толщина которого на многих участках превышает 1 м. Под снежным покровом водотоки протекают безналедно вплоть до отверстий мостов и труб.

С целью изучения эффективности удерживающих противоналедных сооружений и совершенствован";} их конструкций проведены экспериментальные работы на Забайкальской и Красноярской железных дорогах.

На 7314 км Забайкальской ж.д. по разработкам НИИЖТа был построен первый на дороге железобетонный противоналед-ный забор, длиной 60 м и максимальной высотой 3,2 м. Причиной наледеобразования явились источники подземных вод, выходящие в основании коренного склона. Забор был построен в 1971 году и по настоящее время полностью обеспечивает защиту моста и земляного полотна от наледи. Принятые расчетные предпосылки и конструкция сооружения подтверждают возможность успешного применения противоналедных заборов для аналогичных условий.

На Красноярской ж.д. был выполнен эксперимент на построенных ранее противоналедных валах и заборах, оказавшихся не эффективными (553 и 691 км линии Абакан—Тайшет). Условия протекания водотоков и конструкция удерживающих сооружений не способствовали образованию наледи. Основной причиной неудовлетворительной работы сооружений являлось отепляющее действие снежного покрова, толщина которого на 691 км составляла 50...60 см, а на 553 км 100...130 см. На этих объектах были построены мерзлотные пояса-навесы, препятствующие отложению снега на участках первоначального наледеобразования. Экспериментальные пояса-навесы были выполнены по временной схеме. Односкатная кровля перекрывалась жердями, поверх которых расстилался рубероид. Кровля покоилась на деревянных столбах. Ширина навеса 3 м, длина 12...15 м, высота 2,2...2,5 м. Русло водотока было спланировано в виде наледного пояса.

Зимой 1992 г было выполнено два обследования построенных сооружений в начале января и конце марта. Пояса-навесы вызвали активное наледеобразование во второй половине зимы, а удерживающие противоналедные заборы полностью задержали образовавшиеся наледи.

Для уточнения влияния поясов-навесов на интенсивность промерзания грунта выполнены теплотехнические расчеты. Оказалось, что в январе промерзание грунта в естественных условиях составило всего 0,3 м, а под навесом 1,7 м. Образовавшаяся мерзлотная перемычка препятствовала протеканию ручья и подруслового потока и вызвала наледеобразование.

Проведенные экспериментальные работы подтвердили эффективность мерзлотных поясов-навесов для задержания наледи в районах с снежным покровом толщиной 0,6—1,3 м. Однако в связи с поздним началом интенсивного наледеобразования такие сооружения целесообразно применять в комбинированных противоналедных сооружениях, которые обеспечивали бы без-наледное протекание водотоков в первую половину зимы.

При использовании мерзлотных поясов-навесов в комбинированных противоналедных сооружениях нежелательно охлаждать водоток под навесом при безналедном пропуске водотока. Поэтому возникла идея сконструировать навес с изменяемым положением кровли от горизонтального до вертикального. В первую половину зимы, когда сооружение работает по режиму

безналедного пропуска, кровля находится в вертикальном положении. Снежный покров предохраняет мерзлотный пояс и водоток от интенсивного промерзания. Когда возможность безналедного протекания будет исчерпана, мерэзлотный пояс очищается от снега и кровлю устанавливают в горизонтальное положение.

Мерзлотные пояса-навесы будут эффективны в районах распространения вечномерзлых грунтов. В летний период навес задержит таяние наледи на поясе и предотвратит деградацию вечной мерзлоты. Конструкция постоянного мерзлотного пояса-навеса с изменяемым положением кровли приведена на рис.2.5.

ФАСАХ і 2000

1-і

v.

Рис. 2.5. Регулируемый мерзлотный пояс-навес: / — стойки навеса; 2 — поворотні--"" шит; 3 — вал вращения; 4 — фиксирующие тяги; 5 — горизонтальная площадка; 6 — бетонный лоток; 7 — затворы; 8 — противопучиннмй анкер.

Расчеты поясов-навесов заключаются в проверке устойчивости стоек от действия ветровой и снеговой нагрузок, а также касательных сил выпучивания. Поворотные щиты рассчитывают на действие временных нагрузок от снега и ветра. Кроме того, для каждого конкретного случая теплотехническими расчетами определяются сроки установки навеса в вертикальное или горизонтальное положение.

Подробнее содержание данного раздела см. в работах [15, 24].

2.5. Комбинированные противоналедные сооружения

Комбинированные противоналедные сооружения обеспечивают как безналедный пропуск водотоков, так и задержание наледи, в зависимости от изменения гидрологических характеристик водотока и периодов наледеобразования. Область применения комбинированных сооружений была рассмотрена ранее.

Основные достоинства комбинированных противоналедных сооружений — надежность и экономичность. Затраты на их эксплуатацию значительно меньше по сравнению с энергетическими установками по безналедиому пропуску и трудоемкими временными способами. Переход работы от одного режима к другому происходит самопроизвольно или после несложных операций по изменению условий протекания водотока.

Рассмотрим несколько видов комбинированных противоналедных сооружений, разработанных сотрудниками НИИЖТа с участием автора и построенных на Забайкальской, Красноярской и Байкало-Амурской железных дорогах.

Для борьбы с наледью, образующейся от ключей небольшого дебита на 6396 км Забайкальской ж.д., построена дренажно-водоотводная система совместно с противоналедным забором (рис.2.6). Дренаж и водоотвод осуществляется прямоугольной деревянной трубой сечением 0,2x0,2 м, длиной 55 м. Труба засыпана гравийно-песчаной смесью слоем 1,0 м. На стыке дренажа и водоотвода построено водораспределительное устройство, направляющее водоток по закрытому нодоогноду или по открытому бетонному лотку.

Противоналедный забор построен на расстоянии 12 м от моста. Длина забора 14,5 м, максимальная высота 4,5 м. Стойки забора и межстоечное заполнение изготовлены из шпал и бруса.

Расчетная продолжительность безналедного протекания водотока составляет 3 месяца (ноябрь-январь), а задержание наледи - 2 месяца (февраль-март). В отдельные мягкие зимы наледь на объекте не формируется. Сооружение построено в 1983 году и успешно эксплуатируется по настоящее время. Оно позволило снизить эксплуатационные расходы с 120 до 2 чел/дн. в год.

На Красноярской ж.д. по разработкам НИИЖТа построены и успешно эксплуатируются два комбинированных противона-ледных сооружения на постоянных водотоках, имеющих зимний расход 3...50 л/с (271 км линии Ачинск—Тигей и 691 км линии Абакан—Тайшет). Первоначальными очагами наледеобразова-ния являлись подмостовые русла и прилегающие к ним участки с распластанным протеканием водотоков.

Конструкция противоналедных сооружений на этих объектах состоит из крытого утепленного лотка, уложенного по руслу ручья под мостом и на подходах, профилированных водоотводных канав на входе и выходе из лотка, а также нескольких противоналедных заборов, сооруженных как непосредственно у моста, так и выше по логу. Для пропуска расчетного расхода водотока в заборе предусмотрен проем, оборудованный металлическим затвором, который открывается самопроизвольно под действием напора воды.

Для борьбы с наледью, образующейся в выемке от вод различного генезиса (верховодки и трещинно-жильных) на Байкало-Амурской ж.д. при пересечении Северо-Муйского хребта, построено комбинированное противоналедное сооружение. Наледь,образующаяся на склоне от вод верховодки, задерживается наледным поясом, совмещенным с нагорной канавой. Подземные воды глубокой циркуляции, вскрытые в основании выемки, каптированы закювстным дренажом.

Описанные способы противоналедной защиты далеко не исчерпывают всех возможных вариантов комбинированных противоналедных сооружений. Они определяются проектными разработками в каждом конкретном случае в зависимости от особенностей наледного участка.

Подробнее содержание данного раздела см. в работах [15,25,26].

3.1 Общие требования к содержанию

Вопросы содержания противоналедных сооружений до последнего времени слабо отражались в технической литературе и нормативных документах. Это отрицательно сказывалось на их техническом состоянии, а также приводило к срочным работам в периоды опасного наледепроявления. Выполненные автором разработки, включенные в ВСН 210—91, восполняют пробелы по содержанию искусственных и противоналедных сооружений на наледных участках железных дорог.

При осмотрах искусственных и противоналедных сооружений на водотоках с наледями необходимо установить степень опасности наледи, эффективность работы противоналедных устройств, а также возникшие при этом неисправности и наметить меры по их устранению.

Систематический надзор за состоянием пути, мостов, труб и противоналедных сооружений осуществляется работниками дистанции пути в период интенсивного развития наледей. При выходе наледи на путь необходимо установить круглосуточное дежурство на участке и организовать срочные работы по борьбе с нею.

Текущие осмотры осуществляются дорожными,мостовыми мастерами и мастерами по ремонту земляного полотна по утвержденному начальником дистанции пути графику в зависимости от вида искусственного и противоналедного сооружения и степени опасности наледи.

Регулярные наблюдения за опасными наледями (снятие отсчетов но ледомерным вешкам, замер дебитов и температур воды, подсчет площадей и объемов наледей) производят техники дистанции пути под руководством инженера технического отдела.

Периодические осмотры опасных наледей и противоналедных сооружений осуществляют начальник дистанции пути или его заместители с участием мастеров два раза в год, весной (в период максимального развития наледей) и осенью, перед началом наледеобразования.

Контроль за состоянием противоналедных сооружений, построенных в комплексе с мостами и трубами, осуществляют работники мостообследовательских станций.

Результаты осмотров и обследований заносятся в учетные документы. При систематическом надзоре результаты осмотра записываются в журнале железнодорожного пути и искусственных сооружений. Результаты текущих осмотров мостовые и дорожные мастера заносят в «Книгу записи результатов осмотра искусственных сооружений». Данные периодических осмотров противоналедных сооружений помещаются в «Паспорт наледного участка» и «Карточку противоналедного сооружения». В конце зимнего периода в дистанции пути составляется «Ведомость учета наледных участков» и представляется в отдел инженерных сооружений службы пути.

Регулярные наблюдения за ростом наледи производятся в период ее формирования.Периодичность замеров определяется степенью опасности наледи. При наблюдениях производятся замеры толщины наледи у моста или трубы с верховой и низовой сторон. Для удобства наблюдений на входном и выходном оголовках труб, а также устое моста необходимо установить ледомерные рейки.

3.2. Содержание искусственных и противоналедных

сооружений

На мостах и трубах, не имеющих постоянных противоналедных сооружений, для снижения наледной активности и отрицательных воздействий требуется выполнить следующие работы:

расчистить, спрямить и углубить русло водотока;

восстановить нарушенные теплоизолирующие покрытия;

ликвидировать имеющиеся броды, особенно с верховой стороны;

выполнить противопучинные мероприятия, для элементов мостов и труб, подверженных наледному пучению (открылки труб, промежуточные опоры свайно-эстакадных мостов);

выполнить расшивку швов и ремонт трещин составами на основе эпоксидно-диановых смол;

установить ледомерные рейки для наблюдения эа наледеоб-разованием;

мосты и трубы, отверстия которых полностью заполняются наледями, оборудовать электрообогревом по временной схеме.

В зимний период для задержания грунтовых наледей, формирующихся выше по руслу, возможно устройство временных мерзлотных поясов, а также валов и заборов.

Для уменьшения силовых воздействий наледи следует периодически производить околку льда вокруг опор и пробивать лоток во льду по оси трубы, глубиной не менее 0,5 м.

При безналедном пропуске водотоков, протекающих по открытым канавам, каналам и лоткам, следует предусмотреть очистку водоотводов от наносов, восстановление необходимой по расчету его ширины и глубины , а также ликвидацию запруд, бродов и случайных препятствий.

Порядок эксплуатации постоянных сооружений по безналед-ному пропуску водотоков указывается в карточке противоналед-ного сооружения. Содержание дренажно-каптажных сооружений заключается в постоянном надзоре за уровнем грунтовых вод, исправностью и чистотой каптажных и водоотводных сооружений, своевременном утеплении и вскрытии смотровых приспособлений. Эксплуатация сооружений, оборудованных электрообогревом, должна выполняться штатными специалистами, назначенными приказом начальника дистанции пути.

Текущее содержание ограждающих противоналедных сооружений предусматривает:

закрытие разъемной части противоналедного забора перед началом образования наледи;

восстановление проема для пропуска паводковых вод весной;

поддержание в исправном состоянии устройств, обеспечивающих необходимый водно-тепловой режим водотока.

Постоянные мерзлотные и наледиые пояса на участках с многолетнемерзлыми грунтами на летний период должны быть защищены от глубокого иротаивания.

При эксплуатации комбинированных противоналедных сооружений, помимо работ, свойственных отдельным способам иротивоналедной защиты, необходимо обеспечить своевременное переключение от одного способа защиты к другому.

3.3. Совершенствование учетной документации

по наледям и противоналедным сооружениям

для ввода в АСУ

До 1992 года отсутствовала единая форма учета наледных явлений и противоналедных сооружений. Как правило, учет опасных наледей у земляного полотна производился в паспорте неустойчивого или деформируемого земляного полотна, в кото-

ром в полной мере не отражались необходимые характеристики. Наледи у мостов и труб в большинстве случаев не учитывались, а расходы на борьбу с ними относили на текущее содержание искусственных сооружений. Отсутствие учетной документации не позволяло выделить расходы на противоналедную борьбу, производить систематические наблюдения за процессом наледе-образования и должным образом эксплуатировать построенные противоналедные сооружения.

В НИИЖТе были разработаны рекомендации по содержанию малых мостов и труб на водотоках с наледями,в которых предлагались основные формы учетной документации по наледям: «Паспорт наледного участка», «Карточка противоналедно-го сооружения» и «Ведомость учета наледных участков». Проделанная работа была одобрена на секции инженерных сооружений и строительства Научно-техничекого совета МПС (от 19.01.87 г) и рекомендована для включения в Ведомственные строительные нормы (ВСН 210—91). Разработанные документы предполагается включить в Автоматизированную систему управления (АСУ), которая позволит связать в единую цепь наледные явления с искусственными и противоналедными сооружениями, систематически отслеживать характеристики наледей во времени с целью прогнозирования степени наледной опасности и разработки противоналедных сооружений.

Машинная обработка результатов измерений и наблюдений требует определенной систематизации и унификации терминов и справочных данных. Для ввода данных в АСУ потребовалось составить специальные инструкции по заполнению разделов паспорта и обработке результатов измерений.

В инструкции по заполнению паспорта наледного участка рассматривается шесть разделов в соответствии с принятой формой паспорта наледного участка. Каждый пункт в разделе имеет конкретную расшифровку, а там, где предстоит выбор наименований или данных, приводится справочник с определенным набором понятий. Кроме табличной формы заполнения данных по характеристикам наледей и результатам осмотров программа предусматривает графическое исполнение плана наледи, геологических профилей и конструкций противоналедных сооружений.

Инструкция но измерению и расчету параметров наледей и источников их питания предлагает методику замеров и расчетов площадей, объемов, мощностей наледей, расходов наледеобра-зующих источников, температуры водотоков и высоты снежного покрова. Инструкция ориентирована на работников дистанции пути.

В 1994 году для Красноярской ж.д. была впервые разработана информационная система по наледям, которая будет работать в совокупности с другими пакетами программ, разработанных в СГАПСе и СибЦНИИСе.

Программное обеспечение выполнено СибЦНИИСом (Пев-знер А.С. и др.) с использованием СУБД CLIPPER 5.01 д\я ПЭВМ РС-АТ и дисплея VGA в среде MS-DOS версии 5.0. Графические функции системы реализованы с помощью специального пакета BIGRAPH.

Диалог с пользователем осущствляется через систему вложенных меню на русском языке, форматированных экранов ввода, подсказки. Пакет программ специализированный, предназначен для отслеживания, анализа и прогнозирования наледных процессов. Первая версия пакета свелась к информационно-поисковой системе по каталогу наледей. Далее система пополнилась блоками ввода оперативной информации и процедурой паспортизации. В дальнейшем предполагается эту программу использовать для прогнозирования наледной опасности и выбора оптимальных конструкций противоналедных сооружений.

Пакет программ настраивается для службы пути управления железной дороги и ее дистанций. Он обрабатывает следующие оперативные документы:

паспорта наледных участков;

карточки противоналедных сооружений;

каталог наледей.

Информация в систему должна поступать из документов отчетности ПУ-9, ПУ-28, а также из проектов и научно-исследовательских разработок. Оперативные данные по наледям и противоналедным сооружениям вводятся в программу работниками дистанций пути и в дальнейшем передаются в управление железной дороги по электронной почте, либо на дискетах.

Подробнее содержание данной главы см. в работе [16].

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Экономический эффект от применения различных противоналедных мероприятий и устройств достигается за счет:

сокращения эксплуатационных затрат, связанных с противо-наледными работами;

снижения трудоемкости работ и уменьшения штата обслуживающего персонала;

повышения безопасности и эффективности движения поездов и других видов транспорта;

увеличения долговечности искусственных сооружений.

Общепризнанной методики по оценке экономической эффективности противоналедных сооружений в настоящее время нет. Е.А. Румянцев определяет экономическую эффективность вычислением величины ущерба, вызванного неблагоприятными воздействиями наледи. По рекомендованной методике ВСН 210—91 предлагается производить расчет «числа целесообразности» применения различных противоналедных сооружений.

В основу расчета экономической эффективности положены «Инструкция по определению экономической эффективности капитальных вложений» и «Методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений».

Расчет экономической эффективности (Э ) рассматриваемых противоналедных мероприятий на эксплуатируемых дорогах определяется по формуле:

3 = (С - С) - Е К- Е S, (5)

п ^х 1 2' н н ^v '

где Cj, С — годовые затраты на борьбу с наледями до внедрения и после внедрения противоналедных мероприятий; Е — нормативный коэффициент эффективности; К — капитальные вложения, необходимые для внедрения мероприятий; S — затраты по научно-исследовательским работам.

По формуле (5) были выполнены расчеты экономической эффективности противоналедных сооружений, внедренных на Забайкальской и Красноярской железных дорогах. Расчетный экономический эффект, подтвержденный дорогами, составил в

ценах 1984 года: для Забайкальской ж.д. 148 тыс. руб в год, для Красноярской — 180 тыс. руб в год.

При строительстве новых железных и автомобильных дорог формулой (5) воспользоваться нельзя, ввиду отсутствия значения С. . Поэтому расчет эффективности того или иного способа противоналеднои защиты выполнялся по формуле приведенных затрат:

Е = К _о + С Т, (6)

где Е — приведенные затраты; К — коэффициент, учитывающий сроки службы сооружений и величины ежегодных отчислений на их капитальный ремонт, определяемый из таблицы 4.1.

_ _ „ „ — начальные капитальные Таблица 4.1

вложения на строительство ис-
Значения коэффициента К _{кусстве}„ных и противоналед-

ных сооружений; С — годовые эксплуатационные расходы; Т — нормативный срок окупаемости капитальных вложений, принимаемый для сооружений железнодорожного транспорта равным 10 годам.

Формула (6) была использована при обосновании целесообразности строительства противоналедных сооружений на Байкало-Амурской ж.д.

Таблица 4.2

Стоимость противоналедных сооружений (в ценах 1984 г.)

Для обоснования эффективности противоналедных сооружений были выполнены технико-экономические расчеты их стоимости. Стоимость основных типов противоналедных сооружений, определенная сметно-финан-совыми расчетами для 15 района, приведена в таблице 4.2.

Эксплуатационные расходы на текущее содержание искусственных и противоналедных сооружений, а

Таблица 4.3
также ежегодные отчис
ления на их капитальный Годовые эксплуатационные затраты

ремонт, принимаемые в процентах от их стоимости, определены по нормам амортизационных отчислений (табл.4.3).

Расчеты приведенных затрат для различных способов противоналед-ной защиты показали,ч-то свободный пропуск наледей под мостами знанчительно дороже (в 2... 4 раза) по сравнению с вариантами водопропускных труб в комплексе с противона-ледными сооружениями. С увеличением высоты насыпи целесообразность применения водопропускных труб с противо-наледными сооружениями возрастает.

Подробнее содержание данной главы см. в работе [19].

Выполнено обследование более 500 наледей на участках, общей протяженностью 5200 км на Забайкальской, Красноярской, Байкало-Амурской желедных дорогах и автомобильных дорогах производственного объединения «Лензолото». Большинство наледей в процессе наблюдений обследовалось многократно.

Произведена классификация наледей по генезису, месту формирования, размерам, степени опасности. Введен термин «потенциально опасная наледь».

Экспериментально зарегистрированы суточные перемещения элементов труб под воздействием термоналеднои нагрузки, которые вызыавют растройство швов кладки, а также развитие трещин.

Получены численные значения термических напряжений и приближенная зависимость по определению термоналеднои

нагрузки. Они могут быть использованы при расчетах водопропускных сооружений.

Испытания поверхностной прочности бетона, подвергающегося воздействию наледей, подтвердили снижение его прочности но сравнению с обычными условиями.

Наиболее существенные повреждения водопропускных труб на наледных участках наблюдаются у оголовков и крайних звеньев. Замеренные амплитуды раскрытия трещин в оголовках под воздействием морозного и наледного пучения достигают 9 мм в год. Кроме того наледи увеличивают растяжку труб, особенно крайних звеньев.

Температурные наблюдедния, выполненные на водотоках с наледями, позволили определить тсплопотери через дно на малых водотоках в районах вечной мерзлоты, которые изменяются за зимний период в интервале от 0 до 63 вт/м² час.

Установлено, что в трубах на Красноярской ж.д., оборудованных на зиму утепляющими щитами, постоянные водотоки сохраняют положительную температуру. Теплоприход через дно составляет в среднем 6 вт/м² час. Определены составляющие уравнения теплового баланса для утепленных труб.

Выполненный для Забайкалья вероятностно-аналоговый прогноз позволяет назначать размеры водопропускных сооружений с учетом ожидаемых наледей. Полученные уравнения связи физического прогноза для частных случаев достаточно точно описывают связь размеров наледей с климатическими факторами. Общие уравнения связи для наледей определенного генезиса даю г погрешность до 40 /о.

1 Іовьішенная деформативность искусственных сооружений на водотоках с наледями указывает на несовершенство расчетных схем при их проектировании, а также на недостатки в технологии строительства. Типовые конструкции, как правило, не обеспечивают сосредоточенного протекания водотоков в пределах искусственых сооружений и не выдерживают силовых воздействий, вызванных криогенными процессами. Предлагается оголовки водопропускных труб проектировать железобетонными с учетом нагрузок, вызванных наледями.

Разработана классификация способов борьбы с наледями. Временные противоналедные сооружения целесообразно применять на объектах с вероятностью образования наледей менее

10 /о, а также на строящихся объектах, на которых наледи носят случайный характер. При рассмотрении вариантов постоянных противоналедных сооружений предпочтение следует отдавать безналедному пропуску водотоков.

Свободный пропуск наледей, как наиболее дорогостоящий,следует применять только в тех случаях, когда другие способы не гарантируют эффективной защиты. Для облегчения задачи выбора противоналедных сооружений предлагаются блок-схемы, которые могут быть использованы в автоматизированной системе расчетов на ЭВМ.

Разработаны и внедрены в производство в опытном порядке различные противоналедные сооружения. На Забайкальской ж.д. построены горизонтальные фильтрующие выпуски, комбинированные противоналедные сооружения и электрообогрев водоотводов. На Красноярской ж.д. построены мерзлотные пояса-навесы, комбинированные противоналедные сооружения и отработана методика утепления отверстий труб съемными щитами. На БАМе построены сооружения по безналедному пропуску водотоков.

Рассмотрены вопросы текущего содержания искусственных и противоналедных сооружений. Разработаны формы учетной документации «Паспорт наледного участка» и «Карточка про-тивоналедиого сооружения», которые включены в ВСН 210-91. Разработана и внедрена на Красноярской ж.д. информационная система по наледям и иротивоналедным сооружениям, которая будет работать в Единой автоматизированной системе управления, внедряемой и МПС.

Расчет экономической эффективности противоналедных сооружений на действующих железных дорогах предлагается выполнять по сумме затрат на их строительство и эксплуатацию. При строительстве новых железных дорог расчет эффективности противоналедных сооружений целесообразно производить по формуле приведенных затрат.

Экономический эффект от внедрения противоналедных мероприятий НИИЖТом составил около 600 тыс.руб в год (в ценах 1984 г.)

Задачи дальнейших исследований представляются в следующем:

продолжить изучение отрицательных воздействий наледей на искусственные сооружения с целью определения возникающих усилий и совершенствования расчетных схем;

продолжить совершенствование конструкций противоналедных сооружений с максимальной типизацией и унификацией их размеров;

разработать программы по выбору и расчету различных противоналедных сооружений и устройств;

рассмотреть теоретические вопросы по обоснованию размеров отверстий искусственных сооружений при свободном пропуске наледей;

закончить паспортизацию наледей на сети дорог по единой методике с учетом их ввода в АСУ.

1. ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНЫХ ЯВЛЕНИЙ
НА ЗАБАЙКАЛЬСКОЙ, БАЙКАЛО-АМУРСКОЙ

1.1. Условия образования и характер проявления наледей

на дорогах 6

2. Типы наледей и их классификации 8

3. Режим формирования наледей 10

1.4. Отрицательные воздействия наледей

на искусственные сооружения 11

5. Характерные деформации труб на водотоках с наледями.. 17

6. Водно-тепловой режим наледеобразующих источников

и водопропускных сооружений 20

1.7. Вероятностно-аналоговый и физический прогнозы
образования наледей 23

1. Требования к конструкциям малых искусственных сооружений на водотоках с наледями 27

2. Виды противоналедных сооружений и условия

их применения 29

2.3. Сооружения по безналедному пропуску водотоков 31

4. Конструкция удерживающих противоналедных сооружений 37

5. Комбинированные противоналедные сооружения ..„ 40

3.1 Общие требования к содержанию 42

2. Содержание искусственных и противоналедных сооружений 43

3. Совершенствование учетной документации по наледям

и противоналедным сооружениям для ввода в АСУ 44

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТИВОНАЛЕДНЫХ

Похожие диссертации на Наледные явления у искусственных сооружений на дорогах Сибири и совершенствование способов противоналедной защиты

Развитие теоретических положений выбора эффективных организационно-технологических способов строительства транспортных объектов в северных условиях : на примере водопропускных сооруженийГоршков Владимир Павлович

Сток ливневых вод на основе паводковой волны для сооружений автомобильных дорог и аэродромовЧистяков Игорь Владимирович

Методы оценки и системы обеспечения технико-эксплуатационных показателей искусственных сооружений железных дорог России : На основе нового информационного обеспеченияБокарев Сергей Александрович

Учет влияния морского прилива при сооружении автомобильных дорог на территории равнины Юга (СРВ) Нгуен Зуй Чи

Обеспечение устойчивости откосов грунтовых сооружений автомобильных дорог с учетом их взаимного влиянияКужель, Владимир Николаевич

Конструктивные решения земляного полотна и искусственных сооружений на автомобильных дорогах для условий Центральной ЯкутииВербух Натан Феликсович

Совместная работа свай и анкерных свай в составе конструкции противооползневых сооружений на автомобильных дорогах : Краснодарский крайРябухин, Александр Константинович

Защитные сооружения горных автомобильных дорог от селевых потоковБайнатов, Жумабай Байнатович

Детальный расчет стока ливневых вод при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах НепалаЯдав Шиваджи

Применение отвальных шахтных пород для сооружения земляного полотна автомобильных дорог Мищенко Михаил Леонидович