Приложение 13 (рекомендуемое). Методика выбора эффективных противоналедных сооружений и устройств

Приложение 13
Рекомендуемое

Методика выбора эффективных противоналедных сооружений и устройств

Общие принципы выбора

13.1. При проектировании противоналедной защиты рассматриваются вариантные проектные решения, включающие мероприятия, сооружения и устройства, способные защитить транспортные и другие сооружения от воздействия наледей. К производству работ необходимо выбрать конкретное решение, которое должно иметь:

наименьшие стоимость и удельные затраты (труда и материалов) на стадии строительства и эксплуатации;

наибольшую техническую эффективность по устранению наледной опасности;

наибольший срок функционирования;

наибольшую технологичность при строительстве;

наименьшую степень повторного строительства на одном и том же наледном участке;

наибольшую степень повторного применения, индустриализации и машинизации при многократном использовании на объекте строительства;

наименьшую степень нарушения природной среды;

наибольшую надежность при эксплуатации.

13.2. Комплексным показателем, отражающим эти условия, является число целесообразности (Ц) применения противоналедных сооружений и устройств в конкретных природно-климатических и мерзлотно-инженерно-геологических условиях, которое измеряется в /руб. и определяется по формуле

, (П.13.1)

где T - степень технологичности строительства противоналедного сооружения или устройства; - коэффициент надежности сооружений и устройств при эксплуатации; - коэффициент наледеопасности для функционирования железной дороги и обустройств, других гражданских и промышленных сооружений; Ф - удельные стоимостные затраты на стадии строительства и эксплуатации (тыс. руб./ год); - степень нарушения природной среды применяемым методом, сооружением или устройством при строительстве и эксплуатации; - суммарное время действия наледной опасности за расчетный срок эксплуатации объекта, годы.

13.3. Коэффициент наледеопасности искусственной (техногенной) или природной наледи отражает взаимодействие мерзлотно-гидрогеологических, природно-климатических и техногенных факторов, определяется по формуле

, (П.13.2)

где - расход воды источников или другого генезиса наледеобразующих вод, идущий на замачивание снежного покрова, л/с; - плотность снежного покрова, ; - удельная теплоемкость льда, ; - температура наледеобразующих вод, K; - температура подстилающей поверхности (приведенная температура), K; - температура грунтов за период оценки наледной опасности на глубине подошвы слоя сезонного промерзания, K; - абсолютная отметка гидравлического напора наледных вод, м; - абсолютная отметка дневной поверхности, м; - глубина сезонного промерзания (нормативного или в природных условиях) на момент оценки наледной опасности или залегания литологического водоупора, м; - ширина потока наледных вод, м; F - площадь сечения потока наледеобразующих вод, ; v - скорость течения наледеобразующих вод, м/с; i - гидравлический уклон потока, доли единицы; - объемная теплоемкость воды, ; - температура поверхности почвы (под снежным покровом), K; - глубина залегания первого от поверхности водоносного горизонта, м; - мощность снежного покрова, м; - ширина разгрузки подземных вод (или руслового потока вод любого генезиса), м.

13.4. Коэффициент наледеопасности может иметь любые значения (). Отрицательные его значения при , но означают степень наледеопасности вне области (участков) развития вечномерзлых грунтов. Напротив, отрицательные значения при , и или при указывают на отсутствие наледной опасности. При наледная опасность также отсутствует.

Положительное значение является показателем наледеопасности в области вечной мерзлоты. При выполнении условия

, (П.13.3)

значение от 0 до 1 означает постепенное приближение зоны наледеобразования к зоне питания наледи водой вплоть до подхода к ее границам при . Значение от 1 до 10 при указывает на наличие открытых участков с водой среди зоны наледеобразования, которая размещается частично в зоне разгрузки подземных вод (зоне питания наледи водой), частично за ее пределами.

При величине (10-5000) происходит полное перекрытие наледью зоны разгрузки (зоны питания наледи) вод, перемерзание большинства путей разгрузки вод, образование бугров пучения вследствие перемещения фронта кристаллизации под дневную поверхность.

Наконец, указывает на полное отсутствие наледной опасности вследствие отсутствия жидкой фазы воды в атмосфере, на дневной поверхности и до границы годовых колебаний температуры литосферы.

13.5. Данные для оценки степени наледной опасности на стадиях ТЭО и ТЭР берутся из различных справочников, а на стадии РД - по результатам проведения режимных наблюдений.

13.6. Оценка степени нарушения природной среды каким-либо противоналедным методом, сооружением или устройством выполняется по формуле

, (П.13.4)

где - затраты (руб.) на рекультивацию природной среды или противодействие ущербу, наносимому окружающей среде на определенной площади () за время (годы) существования или ликвидации техногенной угрозы биосфере.

13.7. На основе технико-экономических исследований на природных техногенных или лабораторных моделях следует оценить степень экономической эффективности ряда противоналедных сооружений и устройств с тем, чтобы ввести в формулу (П.13.1) удельные стоимостные затраты Ф, которые определяются по формуле:

, (П.13.5)

где n - безразмерный коэффициент, указывающий на то, какая часть от площади техногенной наледи ликвидируется, безналедно пропускается или удерживается противоналедным сооружением, доли единицы. Этот коэффициент надо принимать на основе многолетних наблюдений в наледных районах СССР и за рубежом; - площадь техногенной наледи в районе, подверженном ее действию, ; - время безотказного действия противоналедного сооружения, ликвидирующего наледную опасность для транспортных и других сооружений, в том числе для движения транспорта, годы; - суммарные стоимостные затраты (труда, материалов, механизмов, энергии, процессов и т.п.) на стадии строительства и эксплуатации при постоянном тепловом и водном режиме работы противоналедных сооружений, руб.

13.8. Коэффициент надежности предусматривает отклонения от нормируемых при постоянном тепловом и водном режиме показателей работы противоналедного сооружения на климатические и гидрогеологические тренды, определяется по данным долгосрочного мерзлотно-гидрогеологического прогноза по формуле

, (П.13.6)

где - минимальное количество градусо-часов, при котором при действии данного противоналедного сооружения наледь не образуется; - количество градусо-часов действия наледи на период изысканий и проектирования противоналедных сооружений; - количество градусо-часов заданной вероятности превышения, устанавливаемое по климатическим справочникам или рассчитываем по общепринятой методике; и - коэффициент интенсификации наледного процесса после строительства, который рекомендуется принимать равным 0,15-0,20.

13.9. Степень технологичности противоналедных сооружений Т означает скорость их строительства при данном коэффициенте механизации и повторности применения технологии, отнесенные к общим затратам, и определяется по формуле:

, (П.13.7)

где - площадь ликвидируемой, удерживаемой или безналеднопропускаемой наледи в результате строительства противоналедного сооружения, ; - коэффициент перевода стоимости работ механизмами в стоимость ручного труда, затрачиваемого на эквивалентные процессы; - общая стоимость строительства противоналедного сооружения, руб.; - срок строительства с учетом нормативов на инженерную подготовку, год; m - модуль технической эффективности противоналедного сооружения. Он рассчитывается по формуле:

, (П.13.8)

, (П.13.9)

где - коэффициент корреляции случайной величины; - частота (вероятность) положительного эффекта данного противоналедного сооружения или устройства, определяемая на основе опыта их применения

, (П.13.10)

где a - число положительных реализаций проектов данного противоналедного сооружения; b - общее число внедрений проектов в практику.

При отсутствии данных, вычисляется по формулам теории вероятности.

13.10. Число необходимости поворотного строительства противоналедного сооружения N на одном и том же наледном участке по мерзлотно-инженерно-геологическим и другим условиям за расчетный срок эксплуатации дороги определяется по формуле

, (П.13.11)

где - расчетный срок эксплуатации дороги, годы; - вероятность повторного строительства по инженерно-геологическим и другим условиям, которая основывается на прогнозе изменения геолого-географической среды за расчетное время эксплуатации дороги; - вероятность качественного выполнения строительно-монтажных работ.

Пример расчета и выбора наиболее целесообразного противоналедного сооружения

Для выемки на участке Тында-Ургал были запроектированы три варианта противоналедных сооружений:

1) двусторонний железобетонный лоток с электрообогревом длиной 1700 м;

2) правосторонний горизонтальный буровзрывной беструбный дренаж в виде канала длиной 1000 м;

3) вертикальный дренаж в виде скважины глубиной 70 м на борту выемки, откачка воды из которой производится в зимний период.

Данные для оценки наледеопасности по формуле (П.13.2), полученные Мосгипротрансом при режимных обследованиях наледного участка, следующие: ; ; ; ; ; ; ; ; ; F = 0,8 ; v = 1,5 м/с; ; ; ; ; .

При таких данных , что свидетельствует о чрезвычайной суровой наледной обстановке в выемке, замерзании всей разгружающейся воды на месте, перекрытии наледью всей зоны разгрузки, образовании наледи объемом около . Для успешной борьбы с такой наледью требуются только постоянные сооружения, исключающие действия основных наледеформирующих факторов.

Все три запроектированные противоналедные сооружения относятся к постоянным, поэтому они сравнивались по технико-экономическим, технологическим и экологическим показателям.

Исходные данные для сравнения приняты:

1) Лоток с электрообогревом: ; ; лет; ; руб; ; ; ; n = 1; ; ; ; ; ; ; ; .

2) Буровзрывной горизонтальный дренаж: ; ; ; ; ; ; ; ; n = 1; ; ; ; ; ; ; ; .

3) Вертикальный дренаж скважиной: ; ; ; ; ; ; ; ; n = 1; ; ; ; ; ; ; ; .

Значения чисел целесообразности строительства лотка с электрообогревом, горизонтального буровзрывного дренажа и вертикального дренажа скважиной равны соответственно ; ; .

Таким образом, на основе комплексных расчетов можно считать, что наиболее оптимальным противоналедным сооружением на выемке является вертикальный дренаж скважиной.