Приложение Е. Противоналедно-водопропускные сооружения

Приложение Е

Противоналедно-водопропускные сооружения

Е.1 Общие положения

По причине возникновения наледи разделяются на два вида:

а) природные наледи, ежегодно или реже возникающие в естественных условиях;

б) вынужденные (прогнозируемые) наледи, возникающие вследствие нарушения мерзлотно-грунтовых условий в результате постройки сооружений.

К мероприятиям и устройствам, устраняющим или сокращающим причины возникновения вынужденных наледей и активизацию наледного процесса в местах действия природных наледей, относятся: дренаж, каптаж, осушение местности глубокими открытыми канавами и полуоткрытыми лотками, регуляция русел; сосредоточение потока, например посредством наледных поясов, полузапруд или применением лотков, на подходе и в пределах водопропускных сооружений; электротермические способы подогрева воды и грунтов. При наличии благоприятного сочетания рельефа, геологической, гидрогеологической обстановки и мерзлотно-грунтовых условий следует применять мерзлотные и тепловые пояса.

Е.2 Особенности выполнения изысканий на наледеопасных участках

При изысканиях наледи необходимо рассматривать, как опасное физико-геологическое явление, подобно карсту и оползням, и укладывать трассу с расчетом на исключение или на снижение отрицательного воздействия наледей на проектируемые сооружения. Наиболее благоприятными по физико-геологическим условиям для размещения трассы являются водораздельные участки, склоны антиклинальных долин, борта моноклинальных долин с падением слоев пород вглубь склона, верхние части склонов, сложенных породами с горизонтальным налеганием слоев, южные склоны и поверхность речных террас, сложенных дренирующими грунтами. Менее благоприятными являются речные долины с синклинальным залеганием пород и субсеквентные долины, в зонах тектонических разломов, являющихся путями выхода на поверхность подземных вод, способствующих образованию больших и гигантских наледей.

Е.3 Прогнозирование появления наледей в результате железнодорожного строительства

В результате строительства сооружений наледи появляются на участках с наличием водоносного слоя и, как правило, у низких насыпей, при вскрытии водоносных слоев выемками, у мостов и труб с массивными фундаментами, а также во всех случаях, когда при возведении сооружений в их зоне произошло глубокое изменение природных мерзлотно-грунтовых условий.

У земляного полотна наледи появляются при выполнении условий:

и , (Е.1)

где - глубина промерзания грунта в естественных условиях выше местоположения полотна;

- расстояние от дневной поверхности до зеркала грунтовых вод на начало промерзания;

- глубина промерзания деятельного слоя под земляным полотном.

Величины и устанавливают по данным изысканий. Величина зависит от размеров земляного полотна, физических свойств слагающих его грунтов, климатических условий в районе строительства и определяется по отдельной методике. Таким образом, целенаправленно регулируя размеры земляного полотна и в первую очередь его высоты, можно в каждом конкретном случае уменьшить риск появления наледи.

Появления наледей у водопропускных труб и других подобных сооружений следует ожидать в тех случаях, когда

, (Е.2)

где - мощность фундамента трубы;

- глубина промерзания грунта под фундаментом трубы.

Для прогнозирования величины и обоснования предложений по конструированию фундаментов труб на наледных участках следует проводить теплофизические расчеты по определению температур в области передвижения границы раздела фаз при радиальном потоке тепла в трубе и теплопритоке снизу.

Е.4 Противоналедные мероприятия и устройства

Е.4.1 Противоналедные мероприятия и устройства рекомендуется применять во всех случаях, где это возможно по инженерно-геологическим условиям, ледотермическому режиму водотоков и экономически целесообразно.

Противоналедные мероприятия и устройства необходимо принимать с учетом генетического типа наледи, дебита и температуры воды источника, питающего наледь, рельефа и инженерно-геологических условий в пределах наледного участка, а также в увязке с комплексом проектных решений по конструкциям земляного полотна и водопропускных сооружений.

При выборе противоналедных мероприятий и устройств предпочтение следует отдавать тем из них, которые исключают активизацию природных и возникновение техногенных наледей при постройке дорожных сооружений.

В случаях невозможности или нецелесообразности использования таких мероприятий и устройств необходимо предусматривать применение средств, обеспечивающих защиту дорожных сооружений от непосредственного воздействия наледей.

Е.4.2 Противоналедные мероприятия и устройства разделяют на постоянные и временные.

Постоянные противоналедные устройства необходимо применять на участках действия природных наледей и в местах, где вероятно возникновение техногенных наледей, которые могут вызвать нарушение нормальной работы рассматриваемого объекта или создать опасность для движения транспорта и устойчивости сооружения.

Временные мероприятия и устройства требуется применять для непосредственного ограждения рельсовой колеи от наледей, возникающих в результате изменения естественных условий в период строительства, при внезапных появлениях наледей, угрожающих безопасности движения транспорта и исправности сооружений, а также в случаях, когда для проектирования и строительства постоянных противоналедных мероприятий необходимо продолжительное время.

Для задержания наледей в местах, удаленных от полотна, рекомендуется применять мероприятия, активизирующие наледный процесс:

- наледные пояса и активные противоналедные валы для наледей поверхностных водотоков;

- мерзлотные пояса для наледей грунтовых вод.

Е.4.3 Наледные пояса целесообразно применять для задержания наледей, возникающих на небольших и периодически действующих водотоках. Они представляют собой участки расширяемого русла, покрываемые каменной отмосткой или бетонными плитами. Размеры поясов следует назначать на основе результатов теплотехнических расчетов.

При расчетах глубину потока в пределах пояса рекомендуется принимать равной от 2 до 5 см, а ширину пояса - не менее 1,0 м. В случаях значительного естественного уклона русла наледные пояса целесообразно выполнять с перепадами высотой до 0,5 м. Для повышения интенсивности охлаждения потока рекомендуется применять наледные пояса с повышенной шероховатостью.

Количество и расположение наледных поясов устанавливают с расчетом удержания полного объема наледи на необходимом расстоянии от выполненных объектов - земляного полотна или водопропускного сооружения.

Е.4.4 Активные противоналедные валы рекомендуется применять для задержания наледей на малых и средних водотоках.

Вал выполняется из грунта со щитом из досок или железобетонных плит, а также с плоским утепленным лотком, вымощенным камнем или бетонными плитами, размещаемым по руслу выше вала.

Действие активного противоналедного вала основано на том, что плоский лоток в качестве наледного пояса вызывает растекание потока волн тонким слоем, способствует его интенсивному охлаждению, зарождению и развитию наледи перед валом раньше, чем она может возникнуть у водопропускного сооружения, расположенного по руслу ниже вала. Возникновение наледи в пределах плоского лотка будет способствовать заполнению водопропускной канавы и щели под щитом. После этого наледь, задерживаемая щитом и валом, станет развиваться вверх по руслу.

Размеры водопропускной канавы и щели под щитом следует определять с учетом пропуска весенних вод без разбора щита. Разбор щита необходимо предусматривать только в случаях, когда по прогнозу ожидается особо высокий паводок.

Е.4.5 Мерзлотные пояса целесообразно применять для задержания в удалении от земляного полотна наледей, возникающих в определенных местах за счет выхода грунтовых вод с небольшим дебитом.

Мерзлотные пояса представляют собой полосы расчистки с валами из снега или грунта и водоотводными канавами. Из пределов полос расчистки необходимо удалять растительно-моховой покров и снег.

Вид мерзлотных поясов и их количество, размеры полос расчистки, валов и канав следует назначать из условий задержания всего объема наледи. Причем глубину канав требуется принимать не менее 0,6 м, а ширину вала по верху - от 1,0 до 3,0 м, в зависимости от способов производства работ.

Мерзлотные пояса следует размещать на расстоянии 50-100 м от ограждаемого участка земляного полотна и друг от друга с расположением в плане. Концы канав необходимо врезать в борта лога, дну канав - придавать продольный уклон не менее 0,002.

Тип укрепления откосов с нагорной стороны грунтовых валов, полосы вдоль его подошвы и водоотводных канав следует принимать в зависимости от скорости течения паводковых вод.

Мерзлотные пояса для задержания речных наледей следует применять на небольших водотоках при неглубоком залегании водоупора под руслом. Они представляют собой канавы шириной 2-4 м, вырубаемые во льду. Канавы располагают поперек долин водотоков на расстоянии 200-300 м от водопропускного сооружения на отмелях и перекатах, где водоток может быть проморожен быстрее. Канаву следует заглублять на 0,3-0,5 м ниже дна русла, а ее концы - врезать в берега на такое расстояние, чтобы предотвратить возможность прохода в береговых наносах вод, питающих наледь. Лед и грунт из канав необходимо укладывать в вал, располагаемый с низовой стороны канавы.

Е.4.6 Водонепроницаемые экраны с валами из грунта следует применять в целях отдаления от ограждаемого сооружения места выхода грунтовых вод, образующих наледь. Экраны представляют собой траншеи, заполненные водонепроницаемым грунтом, расположенные поперек движения потока грунтовых вод, питающих наледь. Низ экрана должен быть заглублен в водоупорные породы не менее чем на 0,25 м. Перекрытие экраном потока грунтовых вод должно быть полным, поэтому устройство экранов наиболее рационально в узких логах с неглубоким залеганием водоупорных пород. Высота вала определяется объемом задерживаемой наледи. Ширина вала по верху назначается не менее 3,0 м. Откос вала на 0,20 м выше расчетного горизонта воды от таяния наледи должен быть укреплен, исходя из условия недопущения размыва вала поверхностными и наледными водами в весенний период.

В районах со снежными заносами во избежание свободного прохода подземных вод под снегом экран следует размещать за пределами снежного отложения, возникающего у вала.

Е.4.7 Постоянные противоналедные заборы применяют для задержания вдали от дороги наледей различных типов, образующихся в одном и том же месте. Высоту забора следует назначать в зависимости от объема льда, но не более 4,0 м. При необходимости устраивают несколько заборов.

Е.4.8 Сборно-разборные заборы из досок или бревен или переносимые щиты из досок целесообразно применять для защиты от наледей грунтовых или поверхностных вод, имеющих непостоянный характер или меняющих положение в разные годы. Стенки заборов и щитов следует устраивать сплошными, без просветов. Заборы применяют в качестве временного дополнительного средства в комплексе противоналедных сооружений и устройств на участках со сложными инженерно-геологическими условиями при больших размерах наледей. Количество заборов, их высоту и длину определяют в зависимости от размеров задерживаемой наледи и рельефа местности.

Е.4.9 Для отвода из выемок грунтовых вод с ограниченным периодом действия следует применять лотки закрытого типа взамен кюветов. Дно лотков следует размещать ниже глубины сезонного промерзания, а в обоснованных случаях - на глубине не менее 80% мощности деятельного слоя.

Осушение местности открытыми канавами целесообразно предусматривать на участках с неглубоким залеганием грунтовой воды и поверхности вечномерзлых грунтов, в том числе в случаях, когда верхний защитный слой представлен глинистыми грунтами с включением дресвы, а поток грунтовой воды имеет малый дебит и перемерзает зимой.

Размеры канав и способ укрепления откосов назначают в зависимости от притока и глубины залегания грунтовых вод, площади осушаемой территории, скорости течения воды в канаве в летнее время и других инженерно-геологических условий в пределах наледного участка.

При наличии грунтовых вод, не перемерзающих зимой, целесообразно применять канавы в сочетании с неглубоким лотком, например из половины асбоцементной трубы, втопленной на глубину ниже дна канавы.

Для осушения местности, перехвата и отвода грунтовых и надмерзлотных вод на значительное расстояние следует применять полуоткрытые водоотводные лотки. Конструкция лотков данного типа обеспечивает минимальную потерю тепла водотоком и улучшает водно-тепловой режим грунтов. Весной лотки требуется очищать от снега и открывать. Осенью лотки необходимо закрывать на всю ширину досками.

Е.4.10 При разработке конструкций дренажей и каптажных устройств необходимо предусматривать мероприятия, направленные на предотвращение замерзания воды в смотровых колодцах, отводных трубах и на выходе из них. С этой целью отводные трубы закладывают на глубине не выше нижней трети глубины сезонного промерзания, а низ трубы на выходе размещают выше поверхности земли на 1,0 м и более. На пологих склонах местности следует применять отепленные оголовки отводных труб.

Дренаж и каптаж целесообразно применять на участках с наличием и возможным развитием наледей подземных вод и четко выраженными водоносными слоями грунтовых вод. Расположение дренажей и глубину их заложения следует назначать в зависимости от требуемой глубины осушения, мощности водоносного слоя и положения водоупора. Расчет дренажей и назначение их конструкции выполняют с использованием обычных методов, на основе данных специальных инженерно-геологических изысканий.

Каптаж целесообразно применять на наледных участках при наличии источников подземных вод, выходящих на склоне выше дороги. Каптаж может состоять из одного или нескольких колодцев, а также из коротких галерей, канав или лотков, собирающих воду, и отводных устройств.

Е.5 Специальные противоналедно-водопропускные сооружения

Специальными противоналедно-водопропускными сооружениями являются:

- свайно-тоннельные водопропускные сооружения;

- противоналедные мосты-трубы;

- двух- и трехъярусные трубы со сквозными отверстиями между ярусами (для насыпей высотой более 6 м);

- комбинированные фильтрующие насыпи с любым количеством водопропускных труб.

Е.6 Исходные данные для выбора и проектирования противоналедных мероприятий и устройств

Исходными данными для выбора и проектирования противоналедных мероприятий и устройств на стадии задания на проектирование являются:

а) по поверхностным водотокам - расход и температура воды в осенне-зимний период; скорость потока, ширина, глубина и уклон русла; предполагаемые изменения теплового и ледового режимов водотока при строительстве и степень влияния этих изменений на наледный процесс;

б) по подземным водам, вскрываемым выемками, канавами и карьерами, - ожидаемый приток и температура воды, мощность и протяженность вдоль пути водоносного слоя, возможные изменения режима вод в связи со строительством;

в) по всем природным наледям - генетический тип наледи, время ее формирования (начало и конец), линейные размеры, площадь и объем наледи, возможные изменения в режиме наледи в связи со строительством, степень опасности наледи для проектируемых сооружений.

Перечисленные данные включают в пояснительную записку, в которой, кроме того, приводят описание общих физико-геологических условий района, необходимое для прогнозирования наледей и выбора основных проектных решений; прилагают каталог и график наледных участков в районе трассы, а также паспорта больших природных наледей, в том числе планы масштаба 1:2000-1:5000.

Рабочие чертежи противоналедных мероприятий и устройств разрабатывают на основе уточненных данных по всем наледным участкам, в том числе:

- описания рельефа, геологической, гидрогеологической обстановки и мерзлотно-грунтовых условий;

- расхода и температуры воды наледных водотоков в осенне-зимний период, их теплового и ледового режимов, скорости потока;

- ширины, глубины и уклона русел;

- климатических показателей, необходимых для теплотехнических расчетов;

- показателей природных наледей, их генетического типа, линейных размеров, площади и объема наледного льда, периода формирования наледей;

- прогнозирования степени опасности наледи;

- рекомендуемых проектных решений, с использованием графических материалов - паспорта наледи, плана наледного участка (масштаба 1:500-1:2000), геологических разрезов.

Е.7 Проектирование насыпей на участках природных и прогнозируемых наледей

Проектирование насыпей на участках природных и прогнозируемых наледей имеет следующие особенности:

а) на участках природных наледей:

- проектирование в высоких насыпях с возвышением поверхности земляного полотна над расчетной отметкой поверхности наледи не менее чем на 0,5 м;

- проектирование с нагорной стороны бермы, предохраняющей от переувлажнения грунты в теле насыпи;

- проектирование земляного полотна с противоналедными устройствами;

б) на участках прогнозируемых наледей:

- в районах глубокого сезонного промерзания и островного распространения вечномерзлых грунтов проектирование насыпи такой высоты, при которой соблюдается условие , где - промерзание грунта основания под многослойной дорожной конструкцией; - промерзание грунта в естественных условиях;

- в районах сплошного распространения вечномерзлых грунтов проектирование земляного полотна совместно с противоналедными устройствами, активизирующими наледный процесс в удалении от полотна.

Земляное полотно следует возводить из дренирующих грунтов, не нарушая при этом естественных мерзлотно-грунтовых условий.

Е.8 Проектирование водопропускных труб на участках природных и прогнозируемых наледей

Выделяют следующие особенности проектирования водопропускных труб и мостов на участках природных и прогнозируемых наледей:

а) на участках природных наледей:

- проектирование труб и мостов совместно с утепленными лотками, обеспечивающими пропуск наледной воды через зону искусственного сооружения;

- задержание наледи на удалении от искусственного сооружения;

б) на участках прогнозируемых наледей:

- применение труб с облегченными или свайными фундаментами с воротниковыми оголовками или безоголовочных, предусматривая, при необходимости, отепляющие подушки;

- проектировать трубы совместно с дренажно-каптажными устройствами;

- использовать активизацию и задержание наледи в удалении от сооружения.

Е.9 Безналедный пропуск водотока у водопропускных труб

Проектирование водопропускных труб, обеспечивающих безналедный пропуск водотока, осуществляется путем спрямления и углубления русла водотока, применения открытых лотков и канав - открытых и закрытых утепленных либо путем устройства искусственных таликов под сооружением.

Возможность осуществления безналедного пропуска водотока у водопропускной трубы и необходимые конструктивные решения (ширину, глубину заложения, длину, толщину и материал слоя теплоизоляции) следует определять теплофизическими расчетами на основе ледотермических данных потока. Методика теплофизических расчетов приведена в приложениях В и Г. При этом следует использовать полученную экспериментально зависимость

, (Е.3)

где и - температура воды в начале и конце водовода соответственно;

B, C и D - параметры, учитывающие расход водотока и его уклон, температуру грунта и окружающего воздуха;

L - длина водовода.

Е.10 Проектирование мерзлотных и тепловых поясов

Выбор мерзлотного или теплового пояса в качестве противоналедного сооружения определяется совокупностью физико-климатических условий и в первую очередь - среднегодовой температурой воздуха и мощностью снежного покрова, в зависимости от которых принимают мерзлотные или тепловые пояса (таблица Е.1).

Таблица Е.1 - Противоналедные мероприятия

Средняя многолетняя мощность снежного покрова, м	Противоналедное мероприятие при среднегодовой температуре воздуха,°C
	ниже минус 5	от минус 5 до минус 3	выше минус 3
Менее 0,2	Мерзлотный пояс	Мерзлотный пояс	Мерзлотный пояс
0,2-0,4	-	-	Мерзлотный или тепловой пояс
0,4-0,6	-	Мерзлотный или тепловой пояс	-
0,6-0,8	-	-	Тепловой пояс
0,8-1,0	-	-	-
1,0-1,5	Мерзлотный или тепловой пояс	Тепловой пояс	-
Свыше 5	Тепловой пояс	-	-

Более высокие фильтрационные свойства, глубокое залегание водоупора и высокая температура подземной воды при прочих равных условиях являются основанием для применения теплового пояса. В случаях, когда по климатическим и физико-геологическим условиям возможно применение и мерзлотного, и теплового поясов, принимают во внимание, что тепловые пояса имеют ряд достоинств по сравнению с мерзлотными:

- обеспечивают переброску наледной воды за ограждаемый объект, что полностью исключает вредное влияние наледи на сооружение в период ее развития и таяния;

- позволяют использовать естественные факторы - энергию ветра, накопленное в грунте за летний период тепло, изолирующий эффект снежного покрова;

- способствуют ускорению процесса осушения наледного участка и понижению уровня подземных вод к началу зимы;

- имеют в большинстве случаев при равных условиях меньшие геометрические размеры и, следовательно, меньшую строительную стоимость.