Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Вероятностный расчет параметров наледей и противоналедная защита дорожных сооружений в криолитозоне

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Вероятностный расчет параметров наледей и противоналедная защита дорожных сооружений в криолитозоне"

" '' Академия наук СССР

Сибирское отделение Ордена Трудового Красного Знамени Институт мерзлотоведения

На правах рукописи

ДЕМЕНТЬЕВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 551.328:625.7

ВЕРОЯТНОСТНЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НАЛЕДЕЙ И П РОТИВОНАЛЕДНАЯ ЗАЩИТА ДОРОЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ В КРИОЛИТОЗОНЕ

04.00.07 — Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного

доклада

Якутск — 1991

Работа выполнена в Воронежском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте Госкомитета РСФСР по делам науки и высшей школы.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

В.О.Орлов

доктор георгафических наук

В.Р.Алексеев

доктор технических наук

Ю.М.Гончаров

Ведущая организация - Омский филиал Союздорнии

Минтрансетроя СССР

Защита диссертации состоится 30 октября 1991 г

в 9-00 на заседании специализированного совета по мерзлотоведению Д 003.48.01 при Институте мерзлотоведения СО АН СССР по адресу: 677010, Якутск, 10, Институт мерзлотоведения СО АН СССР, Конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения СО АН СССР.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан " " _______________1991 г.

Ученый секретарь спецсовета к.т.н.

J^fZl^ О.И.Алексеева

iwttKiS

J ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕЙ Li И ПУТИ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

Mi1§iьность_проблемы. Наледи распространены на огром-1 территории в СССР, особенно широко на Крайнем Севере и в Восточной Сибири. Указанные районы вследствие особенностей геологического строения и обширности территории обладают гигантскими запасами разнообразных природных богатств. Они являются тем источником, откуда многие поколения будут черпать ресурсы для развития производительных сил страны. Промышленное освоение этих богатств невозможно без широкого развития сети дорог, объем грузоперевозок по которым будет непрерывно возрастать. Существующие и вновь строящиеся дороги должны иметь высокие транспортно-эксплуатационные качества.

Однако широкое распространение наледей на указанной территории часто создает большие трудности для высокопроизводительной работы автотранспорта и нормальной эксплуатации дорожных сооружений. Затопление наледеобразующей водой дорожного полотна часто приводит к закрытиям или ограничениям движения по дорогам. Закупорки наледями отверстий мостов и труб и их деформации требувт больших трудовых и денежных затрат для их устранения. На борьбу с наледями на автомобильных и железных дорогах ежегодно расходуются десятки миллионов рублей. Сокращение этих затрат и улучшение эксплуатационных качеств дорог:является важной народнохозяйственной задачей.

Исследованию наледей посвящено большое количество 'работ. Первые научные результаты изучения наледей получены С.Я.Подья-коновым (1903) и А.В.Львовым (1916). В 20-е - 40-е годи . большой

вклад в изучение наледей внесли Н.И.Толотихин, В.Г.Петров, П.Ф.Швецов, В.П.Седов, Б.В.Зонов, а.И.Калабин. После Великой Отечественной войны в связи с освоением районов Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока изучение наледей активизировалось. Необходимо отметить работы: В.Р.Алексеева, H.H.Анисимовой, В.Е.Афанасенко, Ф.Э.Арэ, С.М.Большакова, Н.А.Букаева, К.Ф.Войтковского, С.И.Гапеева, М.К.Гаври-давой,' Б.Н.Дейкина, А.П.Казакова, В.В.Кравченко, К.М.Корейви, Д.М.Меркулова, Т.В.Потатуевой, В.М.Пигузовой, Н.Н.Романовско-

'го, В.А.Румянцева, Н.Ф.Савко, Б.Л.Соколова, О.Н.Толстихина, С.М.Фотиева, М.Ш.Фурмана, Л.Н.Чижова, В,В.Шепелева и др; а также зарубежных специалистов К.Л.Кейри, ¿Л.Койиа, Ц.В.Слотера, Р.0.Ван-Евердингена, Д.Р.Вильямеа.

Несмотря на многочисленные.публикации, посвященные преимущественно изучение иаледных процессов, технический уровень борьбы с наледями остается низким и малоэффективным с большими трудовыми и денежными иатратами. Зто обусловливает необходимость дальнейших исследований наледей, изучения многолетней изменчивости их параметров, разработки новых эффективных методов борьбы о ними, экономичных принципов проектирования и эксплуатации сооружений на водотоках с наледями,

ГЬ планам научно-исследовательских работ Министерства автомобильных дорог РС^СР с 1970 по 1991 г в Воронежском инженерно-строительном институте под руководством и при непосредственном участии автора проводилась работа по исследованию наледей Ьи дорогах Магаданской области и Тувинской АССР. По плану НИР МПС СССР и НИ мостов с 1975 по 1977 г в ВИСИ под руководством автора проводились исследования наледей на БАМо, на участке Чара-Тыида. Ранее, в период с 19*й по 1961 г, автором изучались наледи на автодорогах Магадан-Усть-Нера и Палатка - Кулу - Нексикан в Магаданской области и ЯАССР. В диссертации обобщены основные результаты перечисленных исследований автора.

~ разработка вероятностного метода расчета прогнозных параметров наледей, эффективных методов проти-воналедноЯ защиты дорожных сооружений, экономичных принципов их проектирования и эксплуатации на водотоквх с наледями в к^иолитозоне.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи;

1. Разработка моделей образования наледей у дорожных сооружений.

2. Разработка вероятностного метода расчета прогнозных параметров наледей к алгоритмов программ, для практических расчетов.

.3. Рпзрасотка эффективных методов противонг.ледкоЯ защиты

дорояных сооружений.

'(.Разработка новых рациональных конструкций противоналодннх устройств и условий их применения к различным моделям наледей у. дорокиых сооруяений.

5. Разработка принципов экономичного проектирования дородных сооружений на водотоках с наледями и рациональных типов сооружений.

6. Разработка рационального типа свай для погружения в гра-вийно-галечниковые грунты с валунами и многолетнемерзлые грунты на водотоках с наледями..

7. Разработка методики расчета опор на устойчивость при действии гидродинамического давления в наледпих буграх.

8. Разработка принципов эксплуатации дорожимх сооружений на водотоках с наледями.

'Исходное материалы и методы исследований. Исходными материалами работы являлись: данные инженерно-геологических изысканий дорог в Магаданской области, ЯАССР, нп БАМе и Тувинской АССР; данные обследований и многолетних личных наблюдений автора за развитием наледных процессов; карточки нал еде я у сооружений на автодорогах Магаданской области, которые велись с 19'4? г, паспорта наледей на дорогах Тувинской АССР; многолетние данные об атмосферных осадках, температуре воздуха и толщине сн.жного покрова по метеостанциям Магаданской области. Тувинской АССР и периодические их определения непосредственно у сооружений.

Методика исследований включала: режимные наблюдения за развитием каледиых процессов на водотоках Магаданской области (Аниангында, Хасын, Татьшгычан, Контактовый, Чапчик) и Тувинской АССР (Шурааггыг, 75 км автодороги Чадам -Хандыгай-ты, 85 км автодороги Лк-Довурак - Абаза). На исследуемых объектах проводилось сравнение расчетных параметров наледей с натурными данными, разрабатывались и внедрялись ноено конструкции противоналедной зашиты, велись наблюдения за их работой,и стоком весенних вод испытывались новые типы свай, проводилась паспортизация наледей у сооружений, изучалась динамика наледных процессов.

1. Предложена типизация моделей образования наледей у дородных сооружений в зависимости от генетического типа наледей и вида сооружений, включающая три новые модели.

2. Разработан вероятностный метод расчета прогнозных параметров наледей, позволявший в зависимости от количественных характеристик наледей в год изысканий и метеорологических данных за ряд лет определять с использованием ЭВМ параметры заданной обеспеченности.

3. Предложен новый метод противоналедной защиты, основанный на принципе разделения потока наледеобразующей воды на сток в отверстие соорукения и аккумуляцию перед сооружением.

На основе метода разделения потока разработаны новые эффективные конструкции для защиты сооруиений от наледей: противоналедные оголовки труб, висячие, навесные и консольные щиты для мостов, а такие другие ноьце противона-лодные устройства: упругие циты, косые заборы с высокой икккей кромкой, многотрубные охлаадающяе установки.

5. Предложены Экономичные принципы проектирования строящихся сооружений на водотоках с наледями (применение метода разделения потока, новый подход к определению высоты отверстий, рациональные типы сооружений).

6. На основе многолетнего опыта сооружения фундаментов опор мостов на водотоках с наледями разработан новый тип ксле-эобетоншн бурообсадных свай и технология их погружения

б грав/йно-галечниковыв грунты о валунами и многолетне-мерзлые грунты.

7. Предложена методика расчета устойчивости свайных опор мостов гри действии гидродинамического давления в наледных буграх.

8. Даны принцип« эксплуатации сооружений на водотоках с наледями, шлючаввде паспортизации наледей, систему, ежегодных наблюдений за развитием наледных процессов, создание инвентарного оборудования для оперативной противонадедной борьбы.

б

Практическая_зиачикость и_£оализация_на^чны.х_р2зсаботок автора. Результатом каадого этапа исследований являлось написание монографии, руководств для проектирования, строительства и эксплуатации дороякых сооружений, инструкций, рекомендаций,статей, а также внедрение з практику проектирования, строительства и эксплуатации новых конструкцип протнгоналед-ной защиты,

В 1944 г соискателем била разработана ведомственная "Краткая инструкция по борьбе с наледями" на автомобильных дорогах Крайнего Северо-Востока СССР, которая сдобрена Даль-строем и до 70-х годов использовалась дорокнкки организациями на указанных дорогах. После этого написаны и издали:

- Руководство по проектировашш искусственных сооружений автомобильных дорог/ на водотоках с наледями. -М.,"Транспорт", 1978, 62 с,Соавтор Н.Ф.Савхо. Руководство одобрено НТС Минавтодора РС5СР.

- Рекомендации по проектировании и эксплуатации искусственных сооружений БАМ на водотоках с наледями, № гос.регистрации 76089537, 1978, 207 с, участок Чара-Танда.

- Монография "Искусственные сооружения на водотоках с наледями" -Л., Стройиздат, 1903, 180 с. Книга получила поло-кита дьний отзыв и используется проектировщиками,' производственниками и нау.чнцми работниками.

- Руководство по проектирования, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями. -М.,"Транспорт", 1989, 119 с. Руководство утверждено Минавтодорак РС?ОР к используется в дорожных организациях.

- Разраоотан и внедрен на дорогах комплекс новых конструкций прстивоналодних устройств: противоналедкые оголовки водопропускных труб, висячие, навесные и консольные циты, упругие цитц с эластичной пленкой, заборы с косыми стенками, мерзлотные пояса с нногогрубныии схлаядапщими установками. Их внедрение только у Г-ти сооружений на дорогах Тувинской АССР позволило получить экономив за один год в сумме 90 тыс. руб и в 9 раз сократить трудовые затраты. Произведенный расчет показал, что при широком внедрении указанных противо-наледних устройств' в наледных районах Восточной Сибири и

Крайнего Севера ожидаемый экономический эффект мокет составлять II киллионов рублей.

Апробация работы. Основные результаты исследований, разработок к практические рекомендации обсуждались на Всесоюзных и ведомственных конференциях и совещаниях: I) на Всесоюзном совещании по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации БАМ (г.Ленинград, 1976 г), 2) на Всесоюзном совещании по проблемам наледеобраосвания (г.Иркутск, 1989 г), 3) ка расииренном заседании научного Совета по криологии Земли ЛИ СССР (.г,Моек а, 1990 г). О на научных конференциях МОИ (1960-1990 гг), 5) на научных конференциях ВИСИ (19671989 гг), 6) на совещании по проектирование искусственных сооружений на водотоках с налодяки в Ленгипротрансе (г.Ленинград, 1977 г), 7) на совещании по борьбе с наледями в Ушосдорв Северовостокзслога (г.Магадан, 1986 г), 8) на совещании по прогнозированию наледей б Тувавтодоре (г.Кызыл, 1958 г), 9) на совещании по проектированию искусственных сооружений на водотоках с наледями в проектной конторе Красно-ярскантодора (г.Красноярск, 1988 г).

Личный вклад автора. В диссертацию включены результаты исследований и разработок соискателя с ХЭМЧ г, которые были выполнены им в периоды его работы в Магаданской области и - Восточной Якутии в управлении шоссейных дорог Дальстроя I! при выполнении научно-исследовательских работ в Магаданской области (1970-1987 гг), нп БАМе (1.975 - 1977 гг), в Тувинской АССР и Южной части Красноярского края (1988-1991 гг). Все обследования наледей, наблюдения за их рззвитием, разработка методик режимных наблюдений и ледомерных съемок, а также разработка новых противэналедных устройств и наблюдения за кх работой выполнялись лично соискателем. Написание научног технических отчетов, руководств и рекомендаций выполнялось такке соискателем. Все научные выводи, изложенные э работе, принадлежат соискатели.

На защиту выносатся следующие результаты разработок и исследований соискателя:

I. Вероятностный могод расчета параметров наледей.

2. Ьовыв методы противоналедной защиты дорожных сооружений.

3. Принципы проектирования и эксплуатации дорожных сооружений на водотоках с наледями.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Раздел I. ВЕРОЯТНОСТНЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НА1ВДЕЯ У Д0Р01ННХ СООРУЖЕНИЙ

Разработкой методоз прогнозирования наледей занимались многие исследователи, предложившие различные методы и формулы для расчета их параметров: Н.И.Толстихин (НИ), Е.А.Румянцев (1969), О.Н.Толстпхин (197'»), В.Р.Алексеев (.1975), Н.Ф.Савко (1975), Б.Л.Соколов (1975), Д.М.Меркулов (1973), 0.Р.Ефимов (1981), А.Е.Сотников (1981), З.В.Кравченко (1983). Перечисленные исследователи значительно углубили решение задачи прогнозирования наледей. Однако предложенные ими методы содержат ограничения их применения, а некоторые не учитывают ряда факторов. Формула Н.И.Т'олстихина может применяться только для ключевых наледей, а Е.А.Румянцева для груктозых. Эти формула, а также Б.Р.Алексеева, Н.Ф.Савко, Н.Г.Ефимова и А.Б.Сотникова не позволяет прогнозировать параметры налодсй с заданной обеспеченность!). По формулам О.Н.Толстихина и Б.Л.Соколова прогнозируемая.мощность иаледи определяется пс средней многолетней для крупных и средних рэк, тогда как, при проектировании противоналедной запиты нужна мощность непосредственно у сооружения. При отон, главным образом, небольших рек к ручьев, где наледи оказывает наибольшие вредные воздействия. Формула Д.М.Меркулова не учитывает атмосферные осадки, которые является одним из определяющих факторов. Метод В.Б,Кравченко, осшзлг.нгшй на определении з/мнкх расходов и модульных коэффициентов, может применяться только при речных наледях.

Учитывая изложенное, соискателем разработан чозий ;лзсо-ятностный метод расчета прогнозных параметре ¡-. пал ел ой, который отличаемся от ранее предложенных тем, что м;,г.сг ¡!р.:м<; -пяться при всех генетическлх типах наледей, Зоркируади/ся у дорожных сооружений, к .»'и исэх района/, криэлитозоы и глуСо-

кого сезонного промерзания.Он позволяет учитывать особенности морфологии русла у сооружений и нз требует большого объема натурных исследований. ___

Вероятностный метод расчота зак/вчается в определении параметров заданной обеспеченности на основе количественных характеристик наледей в год изысканий путем построения кри- . вых обеспеченности сумм атмосферных осадков и глубин промерзания л вычисления переходных коэффициентов. При расчете данным мзтодом, кроме генетических типов наледей, учитывается модели их образования у дорожных соорукеннй. В табл. I приведены типы наледей и модели их образования у дорошшх соорукеннй, в том число новые модели 1.3.2, 1.2.3, П.6.9, разработанные автором.

В работе / I/ показано, что для конкретного водотока, где геологические и морфологические условия в многолетнем разрезе не изменяется, ежегодные параметры наледей зависят от иотеорологичееккх факторов. Многими исследователями и на-блидониями автора установлено, что для конкретного водотока параметры наледей зависят от глубшш промерзания поверхностного или грунтового потоков и суммы жидких осадков в летие- . осенний период предыдущего года.

Для промерзавшего фильтрационного потока при гравитационном насыщении зоны подпора соотношение удельных расходов н&лсдеобрагувдей воды для прогнозируемого года и года изысканий модет быть выражецо формулой

__ ¿/г. * сУд

где 9 А. ~ соответст-

/и» , /м , а/г , \п, °г , «7

венно удельные расходы, глубина промерзания и гидравлические уклоны для прогнозируемого года и года изысканий.

Формула (I) показывает, что в интервале промерзания от уровня в год изысканий до прогнозируемого изменение удельного наледного расхода происходит пропорционально глубине промерзания. Аналогичная закономерность существует и для потока поверхностных вод.

Объем наледи определяется также продолжительностью на-ледеобразования, которая, кроме температуры воздуха, зависит

основные типа и модели наледей у дорожных сооружения

Класси, ткпа и модели наледей Види сооруке-ння Модели ойраэовакия наледей Причины образования, Вредные воздействия на сооружения

Т г 3 Ч 5

1.1.1 1.3.2 • 1.2.3 Мосты Мосты Дамбы Класс I. КАЛЕДИ П0В1 л.. Ы-1-¡=4 нъу?зь - .гттт 1, ^ > / > 1> 111 //>ттттгг^г/тч;; > гггт а* ^ТГ^ ШЯЩку. лЩгтГ? "*пггИ1ц/гИл>111*11> г/¡}>у> РХНОСТНЫХ вод Умен.иенке живого сечения потока в результате прокер-зг.-шя, стеснения опорами, пугой, при прилоавнии внеа-ккх нагрузок на ледяной покров Промерзание воды з замхву-тых подледных полостях Подъем уровня грунтовой вода в дамбе к излияние води с ее откосов в роулъ-тате гидродинамического напора Закупсрха отверстий хостов на- . леднын льдом Деформация опор и пролетных строений мостов Затоилянио нслэ-деобразувзей водой соору: энкй

Продолжение табл. I

1.ЧЛ

1.5.5

Л.б.б

П.8.7

П.7.8

Труби

Труби

Трубы

Земляное

полотно

дороги

Трубы

а» , / t

Класс П. НАЛЕДИ ПОДЗЕМЩХ ВОД.

¿1

щ

г-/7Т?.т/-гт ) /7777/ //// / , источник

л

Замерзание талых иод при ночных заморозках .и возврате морозов

Сброс к замерзание промышленных к бытовых вод

Уменьшение живого сечения фильтрационного потока при промерзании

В.Н /

■Уч 7 калгЗь

Разгрузка к закэрзашт подземных вод при зскрнтик водоносных пластов

Уменьаение ккгого сечения фильтрационного потока массивным фундаменте«

Закупсрча отверстии труб немодным льдом

2'.к.упорка отверстия труб наледкая льдом

Закупорка отвор-сткй труб калед-нык льдом

Прекращение или затруднение дв кеш-.я на дороге

Закупорка отверстий труб налед-нни льдом

Продолксниз табл. I

П.б.9

П.6.10

П.3.11

П.8.12

Земляное

полотно

дороги

Хилые и производственные здания

Трубы

Тоннели

Ш.9. ТЗ

Мосты

УГГ/ У? .''Г) 7 /// Г7УГ77-/ / а * >'/ г/ 1 77'Г

\ источник

Ь/г^хг^ наледь , + ¿н

Класс Ш. КАЛШ СНЕШЛНК

¡1

Ъ~ПГ7 \32Z2ЫЕЕГ"* '

Унваызенив живого сечания фильтрационного потока при позагении горхкего горизонта многолетней мерзлоты

Излияний подземкой воды чз-рез окна таликоа при действии криогенного напора и ее замерзание

Разгрузка и замерзание подземных вод глубокой циркуляции

Разгрузка н ззиерзание подземных вед з тоннольних выработках

)Г0 ПИТАНИЯ

УМЗНЫШ1К9 ЖНЕОГО ООЧОЙ11Л поЕврхкост.чых и подоенных вод 2 результате произрак-^т^гг^гггггЪ^^г&^УгА^^Н ния.стеснения опорами

. // иыпаччик I

г

■^/¿¿■ьХ'

Затопление кале-деобразусцей подо Я дороги

Затопление нало-доойразувсея водой зданий

Закупорка отверстия труб налед-иым л>дон

Прекраз.зйио лвн-хзихя а тоннеле

Закупорка отверстия исстоэ на-ледным .»¡.дон

от количества жидких осадков в предыдущий летне-осенний период. Четкую зависимость объема наледей от осадков предыдущего года отмечают многде исследователи: И.М.Папернов (1970), Б.Д.Соколов (1975), В.Р.Алексеев (1976), М.Ш.Фурман (1975), А.В.Бойцов (1979). На дорогах Магаданской области о 1947 г велись карточки наледей, а в Тувинской АССР с 1987 г паспорта, в котор ежегодно фиксировались мощности наледей у дородных сооружений. Анализ эти/, данных показал, что мощности наледей увеличивались при больших суммах отрицательных температур воздуха зимой и жидких осадков в предыдущие летне-осенние периоды и уксньаались при толстом снежном покрове Объем наледи является функцией

Ум « J(Zx,df ) С2>

где Zlx " сумма жидких осадков за предыдущий летне-осенний период ; dj - глубина промерзания водоносного олоя.

Бели известен объем наледи в год изысканий, то ее объем о заданной обеспеченностью может быть приближенно определён по формуле

Yw-k'Vxu'kx-hi О)

где Vin. и V.„ - объемы наледей соответственно в год ИЗЫМИ

оканий и о заданной обеспеченностью; Ах и Я/ * коэффициенты, учитывающие соответственно количество жидких осадков и глубину сезонного промерзания поверхностного или грунтового потоков;

j[a - коэффициент надежности.

Коэффициенты hx и hf определяются на основе вероятностного прогноза количества жидких осадков и глубин промерзания по формулам (4) и (5)

kx—Zxp/F.xu / (О

где JLVCu - сумма жидких осадков в год, предшествующий году определения объема наледи у сооружения; - сумма жид-

ких осадков с расчетной вероятностью превышения, определяется по криво:; обеспеченности осадков.

kt~d}p/d}a (5)

где u dfp - глубина сезонного промерзания водоносно-

го слоя соответственно в год изыскания, определяется расчето.^ и о расчетной вероятностью превышения, определяется по кривой обеспеченности глубин промерзания. Глубины и с(¡р

принккавтся не более глубины залегания водоупора.

Для построения кривых обеспеченности по данным ближайшей метеостанции за 20-25 последовательных лет составляются табл!П,н су«и яидких осадков за летне-осенние периоды, среднеМесячных отрицательных температур воздуха и толаиии снежного покрова. К значениям толщины скежкоп- покрова и температуре воздуха вводятся поправки, учитывающие эти показатели у сооружений. Вычисленные сугшы осадков и глубин промерзания записывают в таблице ранжированными рядами. Для каждого порядкового нонера ряда определяется эмпирическая вероятность превышения согласно СНиП 2.01.1^-83. По данным таблицы строятся эмпирические кривые обеспеченности сумм осадков н глубин промерзания (Рио.1). Так как ординаты таблицы не отвечают функциям

их аппроксимируют по методу наименьших квадратов. Моделированием набора простейших аналитических функций на ЭВМ под^ираг отся функция с наилучшим приближением, например, д^обно-вационального вида .

Протизоналедная защита дорожных сооружений или отверстия строящихся сооружений рассчитываются на заданнуп иорка-тивнуи вероятность превышения объема наледи, которая определяется уравнением

P(Vllp) = P{ZxP)-P(<tfPJ <6>

где Р (~>ги,,) ~ з?др;:нпл кор.откзная вероятность превышения

an -

Рис.1 Кривые обеспеченности и djp

объем наледи; р (£Xfi) „ р (d/p) - расчетные взрокт-коотц превышения соответственно суммы жидких осадков и глубина сезонного промерзания.

Неизвестные в уравнении (8) Р/£хр) и P(j.p) определяются из услоеия, когда соотношение между ники £ соответствует году изысканий

Откуда

(9) сю)

CII)

Определи» расчетные вероятности сумм жидких осадков и глубины промерзания, их значения откладывают на горизонтальной оси графика обеспеченности (рис. I), и по кривым определяют расчетные сумму жидких осадков и глубину проузрзания. Заток по формулам (ч), (.5), (3) вычисляют переходные коэффициенты и объем наледи заданной обеспеченности. По ррогнозчсму объеиу наледи У и параметрам в год изыскания определяется средняя мощность, а по ней максимальная прогнозируемая мощность /2/.

При отсутствий данных ледомерной съемки объема наледи в год изысканий мощность наледи заданной обеспеченности приближенно кокет бить определена по мощности в год изысканий по формуле

£НР в /п ' %ни -кх-к( (12)

где и - мощности наледи соответственно в год

изысканий и заданной обеспеченности.

По изложенной методике производятся расчеты прогнозных параметров наледей поверхностных вод (модели 1.1.1, 1.3.2. 1.2.3), подземных вод (модели П.6.б, П.7.3, И.6.9, П.б.ТО) и наледей смешанного питания (модель Ш.3.13), когда подземные источники разгружаются в аллювий (таб.ч. I).

Ключевые наледи формируются подземными водами глубинных источников, выходящих непосредственно на дневную поверхность в виде "лвчей (модели П.8.7, П.8.11, Я.8.12). Объем ключевой каледи зависит ог дебчга постоянно действующего источника и продолжительности морозного периода. По исследованиям С.Н.Фо— тиева (1955), С.Е.Суходольского (1960), В.И.Пономарева (1960), В.В.УземОло и др. пополнение запасов подземных вод глуиоких горизонтов происходит в основном в результате инфильтрации атмосферных осадков а трещина горных пород. Дебиты подземных источников четко реагируют на количество атмосферных осадкоэ и изменяются в зависимости от количества осадков за предыдущие летне-осенние периоды, особенно верхней гидродинамической зоны.

Рьсчет прогнознкх аараметрэв ключевых наледей с постоянно деяст-гтими иоточкик&ми мссет производиться изложенным

внше методой, но при атом вместо глубины промерзания учитывается продолжительность морозного периода,. Объем кдпчевой наледи с заданной обеспеченностью \г*р определяется по формуле

г си)

где Уни ~ 0<^ъам ключевой наледи в год изысканий; Дх и ^ - коэффициенты, учитывающие соответственно осадки за предыдущий летне-осенний период и продолжительность морозного периода; значение ¡1х определяется по формуле

Дг-Тр/ги '<и>"

где Хи. и - продолжительность морозного периода соот-

ветственно в год изысканий и о заданной обеспеченностью.

При сезоннодеГзтвувщих источниках в формуле (13) коэффициент заменяется коэффициентом , учитывавшим продолжительность функционирования источника при отрицательной температуре воздуха. Значение коэффициента определяемся по формуле (14), где вместо V записываются Фр и Фи

Условия питания ц разгрузки подземных вод в природе сложны к разнообразны. Поэтому при изысканиях режим источников тщательно изучается.

Для расчетов времени промерзания поверхностного и грунтового потоков, определения сумм атмосферных осадков, продол-кительносги морозного периода и построения кривых обеспеченности разработаны программы для ЭВМ Лед-1, Лед-П и Лед-Ш, которые приведены в работе /2/ с примерами расчетов.

Расчет параметров наледей производится применительно к генетическим типам наледей и моделям их образования. Для расчетов параметров наледей поверхностных вод используется программа Лед-П,для грунтовых вод и наледей смешанного питания-Лед-1, -для ключевых наледей - Лед-Ш. Данный мет.д мокет применяться во всех районах распространения многолетнемерзлых грунтов и глубокого сезонного промерзания.

Достоверность изложенного метода расчета проверялась на, водотоках Хасык, Палатка, Нёлканджа, .Татынгичан, Чапчик, Контактовый в Магаданской области и на водотоках Чадан, Чиргакы,

75 кн дороги з Ханднгайти, Шур&атнг, 583 км дороги п Зрзкн Тувинской АССР. Для каждого из перечисленных водотоков брались два года, для которых имеются данкье о параметрах наледей я ряды метеорологических наблюдений. Интервалы между годами составляли от 3-х до 21-го года. Полученные при расчетах значения параметров имен? удовлетяорителънув сходимость с данными натурных набдодений. Отклонения составляет II-27 %. С учетом вводимого коэффициента надежности ото позволяет применять нз-лоаенный метод при проектировании противоналедной защити сооружений .

Вероятностный кетод расчета параметров налодей в апреле 1988 г бш! рассмотрен на НТО Минавтодора РСФСР я зклвчен в угверздекноэ 3.06.88 г Руководство по проектирования, строи-тевьству и оксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках о наледями.

Раздел П. ÎIOBHB методы ПРОТИВОНАДДДНОЙ защтн дорошх сооружений

В практика дорожного строительства а криохитозоне нашли применение многие опособн заедаты сооружений от наледей. Вида-вщиеоя работы выполнены БЛ'.Петровцн (1927-1930 гг) на Амуро~ ЯхутсяоЯ автомагистрали, где били приманены грунтовые морзло?-ныз пояса, отепление русел, осуаенме местности, отвод наледз-сбразувщей годи, каптаж ксточников, углубление и спрямление русел, показавшие хорошие результаты. В дальнейшем при борьба с наледями стали применять питы, заборы, экраны, дренажи, фильтрущие насып«, водопоглоцаящие устройства, открытие я закрытые зодоотЕсднне лотки, подогрев водотоков зяевтрокагре-ватедьними приборами н др. По разработка и внедрения'сродега борьбы о наледями значительные работы выполнили А.й.Чоко-тилло (I9f0), Г.А.Низоисин (1954), С,й.Гансов (1957), В.Н.Макаров (1958), А.А.Цвид (1957),' П.О.Тарруляи (1961), В.А.Ру-нянцеп (1966), д,м.Меркулов (1961), Н.Ф.Савко (1975).

Однако практика.борьбы с наледями показывает, что ийо-

гие применяемые противоналедные мероприятия часто бивавт неэффективны, технический уровень противоналедной борьбы остается низким с большими трудовым», и денежными затратами. Особе 'ио слабо рея&на проблема зшдиты водопропускных сооружений от закупорки наледным льдом. С целью реоения этой проблемы соискателем разработки новье эффективные к экономичные методы защиты дорожннх сооружений от наледей.

Разработанные катоды основаии на првдлояеннрм соискателем новом принципе противоиаледноа зшаитц - принципе разделения потока. Этот принцип заключается в разделении потока нал'едеобразущей води на допустимый объем стока в отверстие сооружений н аккумуляцию остальной части наледного стока перед сооружением. При этом верхняя ч&оть отверстия сооружения остается свободной для стока весенних вод в начальный период. На основа указанного принципа соискателем разработана новые конструкции противоналедних устройств, которые автоматически обеспечивают-разделение потока наладеобразусцей води на заданном.уровне, сохранение верхней чзсти отверстия сооружения свободной для начального стока весенних еод с последующей саморазработкой Отверстия и освобождением его от налздного льда. Это достигается применением перед сооружением локального замкнутого ограждения со съемным регулируем щитом, нижняя кромка которого устанавливается на допустимом уровне наледи в отверстии сооружения. Ниже приводятся краткие описания конструкций протиьоналодних устройств, работающих по указанному принципу.

I• Протиаовааедико 'сголовкк водопропускных труб (рис.2) применяются для защита дорожных водопропускных трус от заку-ьоргсн наледями /IV.. Оголовок состоит из портала 1, недпор-тяЛьной стечки 2, прямоугольных открылков 3 и металлического регуяирувщегд «кта Щит устанавливается с тзкнн расчетом, чтобы между йго нижней хромкой и входным лотком трубы оставалась щоль 5 высотой 2/2~ЗЛ высоты отверстия трубы. Над-яортальная стенка 2, открылки 3 и щит ^ образует в оголовке, замкнутее пространство 6, недоступное для затекания налед®^ образувщей воду, когда толцина наледи Ж превысит высоту цели. Длр предотвращения смерзания кита с наледь» на его

а г-

л ¡Л.

ИНН

Г ....

'Г.

V* I >' П\ >' <"■ >>ь:-,~иг'у К У> II / \'А Г' у, -<; .'/, ,/.

* 'М*? > ' \ ' У

~т-77?—ТУ —7}г

'Г Г

ч *

И-

План.

& Вид по 1-Х

Рис.2 ПротивоналедкыЧ оголовок водопропускной трубы а-продельный разрез; б-план; г-вил по 1-1. I-портал; 2 - надпортальная стенка; 3-открылок; Ч - регулирующий щит; 5-цзль; 6 - замкнутое пространство: 7 - полиэтиленовая пленка

верховой стороне натягивается полиэтиленовая слепка 7.

В пзрвый период яаледсобразувщая вода свободно стекает чорез цель 5 в отверстие трубы. Когда при послойном намерзании уровень наледного льда достигнет нижней кромки яита, происходит автоматическая закупорка щгли к наледная сток в трубу прекращается. При этом верхняя часть отверстия трубы, равная 1/4-1/3 высоты отверстия, остается свободной для стока весенних код. После закупорки цели 5 наледеобразующал вода задерживается литом 4 н наледь растет перед оголовкок до прогнозируемой воличикн , но затекая в замкнуто? пространство б, тач как стк:н:лки делаются сь'ыо

оесной дит снима-

ется, и перед оголовком образуется ледяной порог, через который сливается весенняя вода в свободнув часть отверстия трубы, размывая и разрушая наледный лед. На дорогах Тувинохой АССР сделано 9 протквоналедных оголовков. Все они хорошо работают. Соискателем по заявке №^612372 получено пояокмтельное решение Госкомизобрстений о выдаче авторского свидетельства.

^• Висячие противоналедные шиты (рис.З) применяются для защити мостов от. налодой /15/. Для монтака щита порэд мостом отсыпаются даибы I, на которые укладывается несущая металлическая труба 2. К трубе подвеиивавтея блоки аротиво-налодного щита 3. Каздый блок делается из листовой стали толщиной 0,5-1,0 мм, усиленной по контуру уголками. Между собой блоки соединяются струбцинам«. Во избежание фильтрации воды через дамба в них закладывается стабилизированная полиэтиленовая пленка 'ь При большой длине моста несущая труба усиливается вантами 5, закрепленными на пилонах 6.

Нижняя кромка щита расположена ниже нижней граня пролетного строения моста на величину к0 , которая позволяет беспрепятственно осуществлять сток весенних вод в начале паводка. Мезду руслом водотока и нииней кромкой щита образуется щель высотой Ж„ , равной допустимой толщине наледи под мостом. Дамбы, регулирующий щит и балки пролетного строения моста образуют замкнутое пространство 7, недоступное для затекания наледеобразующей воды, когда уровень наледи достигнет нижней кромки «ига.

В первый период наледеобразующая. вода свободно стекает под щитом в отверстие моста. Когда уровень наледи достигнет кикней кромки кита, происходит автоматическая закупорка щели и наледный сток з отверстие моста прекращается.

Весной блоки щита снимаются, в русле перед мостом образуется ледяной порог, через который сливается весенняя вода. Она размывает и разрушает наледный лед, увеличивая подмосто-вов отверстие для прохода пика весеннего паводка. Описанный щит сделан у моста через р.Шураштыг на автодороге Кызыл-Саиагалтай. Он надежно защищает мост от закупорки наледьв. Соискателем по заявке 3^80526^ получено положительное решение Госкомизобретенкй о выдачл авторского свидетельства.

&

а-при неболызой длине моста; б-при болызоЯ длине моста; в-план дамб я щита; г - продольный разрез по оси водотока; д- деталь щита с подвеской.

I -дамбы; .2 - металлическая труба; 3-блохи щита; полиэтиленовая пленка; 5-вантк;. 6 - пилокн; 7 - замкнутое пространство

Рис.^ Варианты противоналедных иитов без дамб

а-навесной щит; б-консольный щит. I - противоналедные стенки устоев; 2 - несущая труба; 3-блоки щита; ^-несущие консоли; 5-шарнир; 6-итанга

3. Навесные противоналедные яиты (рис.а) монтируются у моста без дамб. К устоям моста приставляются впритык железобетонные стенки I, на них на расстоянии 1-1,2 м от тротуаров укладывается металлическая несуцая труба 2. На трубу краном с моста навешиваются блоки противоналедного металлического щита 3. Работает навесной ¡?ит так ке, как висячий. Весной, перед началом весеннего паводка, блоки щита снимается, и пород мостом образуется порог наводного льда, через который

сливается весенняя вода. Щит применен для ьащиты моста от наледи на 85 км автодороги Ак - Довуршс - Абаза.

Консольиыа противоналедныа щита (рис. ¿1,6) состоят из несущих'консолей которые крепятся болтами к пролетному отроени» моста, подввнанного к нем на ыарнирэ 5 металлического шита 3 и приставленных к устоям моста прогиноналедних железобетонных стопок I. Осенью идет устанавливают в вертикальное полоясение я закрепляют штангой б. Б период наледеобразо-вания консольный щит работает-аналогично висячему и навесному. Когда наледеобразование прекратится, щит поворачивает вокруг иарккра в горизонтальное полокение и закрепляет вта-рями на консолях. В начала зимы щит снова опускается. Консольный цит.применен для противоналодной защити у моста на 953 км автодороги Кизыл - Самагалтай.

5, Нротизоиаледные заборы с косыми стенками и высокой нижней кромкой. Применяемые в практике борьбы с наледями на водотоках заборы имеют неудовлетворительнуп конструкции, которая во многих случаях но обеспечивает задиту сооружений от наледей, о чем изложено в работе /15/.

Соискателем разработана новая конструкция заборов, отвечавшая Необходимым требованиям /1.5/. Забор состоит из двух боковых косых стенок и средней съемной металлической станки. Боковке стенки неразборние, делаются из тонких кояозобетои-ны;с плит или обрезных досок, расположенных под углом 30 0 к 'оси моста. Нижняя кромка забора расположена кита? пролетного строения моста на величину , необходимую для стока ве-

сенних вод в начала паводка. Забор размещается чаяду двух примыкающих, к мосту дечб. Для избежания фильтрации воды через дамбы в ннх закладывается полиэтиленовая пленка. 3 по-Р'лод наледвобразошшия забор работает по тому жо принципу, что и висячий щит (рис.3). Перед началом весеннего паводка металлическая стенка в середине, забора снимается, около боковых стенок забора с верховой стороны дэлаятся посыпки темным грунтом. При действии солнечной радиации п местах посыпок образуется канавы. Стекая по ним к среднему пролету, весенняя вода промывает канаки до нижней кромки набора. После этого сток весеш-пп- «од происходит под забором.

6• Упругие протнвоналедныв щита с &явстичкой пленкой (рио.5) прикенявтея для защити водопропускных труб от закупорки наледями о прогнозируемой мощность» наледи не превышающей высоту отверстия трубы. В отличие от принципа разделения потока данный щит работает по принципу задержания всего объема наледи. Щит представляет собой каркас из круглой стали диаметром 14 мм в виде незамкнутого кольца I с отогнутыми концами 2, к которым приварена У -образная распорка 3. Каркас с двух сторон обтянут полиэтиленовой пленкой. В начале аимы щит устанавливается в трубе с верховой стороны и силой упругости прижимается к отенкам трубы. Отогнутые концы кольца каркаса а У -образная распорка, кроме увеличения упругости система, служат опорами для пленки при воздействии на ное ветра и налоди. От« применения щите показал, что он хорошо задерживает наледеобразувщув воду перед трубой.. Весной пленка щита прорывается и весенняя веда стекает в трубу, размывая наледь /2,3/. На данное устройство по ааявке {64262330 поискатолен получено положительное решение Госкон-изобрвтений о выдаче авторского свидетельства.

?ио. 5 Упругий противоналедный щит с эластичной пленкой а-продольный разрез трубы оо щитом; б-каркас щита. I - незамкнутое кольцо каркаса; 2-отогнутые стэ4гаи; 3- -образная распорла

7. Мерзлотные пояса о ипогиутыми многотрубными охлаждаа-цкик установками (рис.6) целесообразно применять вместо мерзлотных поясов грунтовых и о вертикальными охлаждающими уста-

Рис. о Мерзлотний пояс "с изогнутыми киоготрубнт'!! охлакдаюцкми установками Типц охлпкдаяцпх установок: а-дву"трубная; б - четырехтрубная односторонняя; в - четырехтрубная двухсторонняя

ног.кани. Их конструкция и принцип работ« описаны зз работах /2,3/. Широко применяемые для укрепления мерзлых оснований сооружений охлаздащие установки с вертикальными трубами конструкции С.И.Гапееаа для создания мерзлотных к'аясоз при борьбе с нал~Еяки нерациональна, так как их необходимо ста-5ить часто (через 1-1,5 м), что создает на водотоках частокол, улавливавший карчи. В связи с этим соискателем совместно с С.И.Гапеевнм и 3.С.Танеевым разработаны изогнутые много-

трубные охдакдаадис установки, которые позволяет расстояние мелду ними по оси мерзлотного пояса увеличить до 13-1^ л и создавать в фильтрационном или поверхностном потеках за первые два месяца зимы глубокую мерзлотную перемычку. Их при-менениэ дает хорошие оезультаты в условиях суровой зимы при среднемесячной температуре в ноябре и декабре не выие минус 20-23 °С.

Для протнвоналедной борьбы разработаны три гиг°. изогнутых охлаадавщих устанопк: двухтрубная (риг.6,а)* четырех-трубнап односторонняя (рис,б,б) и четырехтрубиая двухгторон-няя (гие.б.в). Двухтрубные применяется при толщине фильтра-ционйого слоя до 1,5 м, а четырехтрубкые при толщине до 2,5 к. .1о чертежам соискателя изогнутые четырехтрубнне и двухтрубные охлаждавшие установки изготовлены и применены для борьбы с наледями Тувавтодсром и Магаданавтодором. На конструкций многотрудных установок соисателп совместно с С.И.Танеевым и В.С.Танеевым Госкомизобоог*-!ий выдано авторское свидетельство Н530691, кл.А1, 1990 р. •

Мерзлотные пояса с изогнутыми многотрудными охлавда!. • цима установками являвтея эффективным средством для удаления от соорукения места образования наледи и предотвращения ее вредного воздействия. Однако из экологических сообра-кекий их применять необходимо с ост ^рохсностьи, не допуская разлива и утечки керосина.

При постоянных зимних расходах и больаой аккумуляции наледей перед трубами противоналеднув загчту целесообразно осуществлять по принципу бозналедного пропуска водотока. Б работах /',3/ автором рассмотрены различные способы безналед-: ного пропуска и даны рекомендации по их применению. Кроме 1.лвестьых мероприятий, соискателем разработана конструкция водопропускной трубы со шлюзом-регулятором, в которой вместо выходного оголовка установлены впритык- к концам поргала две железобетонные стенки, параллельные оси трубы. На концах стенок установлен плоский шлвз-регулятс.), посредством которого в начале зимы водоток подлрукивается. После формирования ледяного покрова иода частично Спускается и образуются

две воздушно-ледяные прослойки, которые защищает водоток от промерзания. Пс проекту соискателя шлоэ-регулятор применен Тувавтодором у трубы, где до этого формировалась наледь «оч-ноотьв 3,6 м /18/.

' Разработанные соискателем новые конструкции для защиты дорожных сооружен- Я от наледей применяются и зависимости от моделей их образования и параметров (табл.2). Из табл.2 гид но, что новые конструкции имеют широкуя с$еру рационального применения. Они могут применяться почти при всех типах и моделях наледей. Их внедрение у 11-ти сооруяёняй на дорогах Тувинской АССР позволило получить годовую экономии 90 тыс. руб. в ценах до 2.СЭД.91 г., при этом в 9 рае сократились трудовые затраты.

По данным Минав-годороа РСЗСР в наледоопасних районах Восточной Сибири и Крайнего Севера на автомобильных дорогах оксплуатируется 56536 труб и мостов. Кроме того, около 10СС0 сооружений эксплуатируется в наледеопаеных районах на ведомственных' дорогах. В Тувинской АССР подаергаатся закупоркам наледями 6 % сооружений /18/. Если принять с осторожное.ьп, что в других наледеопаеных районах подвергаются закупоркам и другим вредным воздействиям наледей I % сооружений, то при широком внедрении разработанных новых противоналеднах устройств во всех наледеопаеных районах ожидаемый годовой эко-иош ¡еский эффект в ценах после 2,04.91 г может составлять II миллионов рублей. При этом не учтена сооружения на железных дорогах.

Таблица 2

Сферы применения новых к "шетрукций протизоналйдной защиты

Модели наледей табл.I Виды сооружений Причины наледеобразо-вания Методы противоналед-ной защиты Условия применения

т 2 3 5

. I" Мосты Уменьшение живого сечения потока промерзанием, отеснением опорами х.Влсячие,навесные или консоль-нпо ииты 2.Заборы с косыми стенками <?нр < Н

Продолжение табл.2

I 2 | 3 4 5

2 Мосты .Промерзание води ! в замкнутых полостях 1.Мерзлотные пояса с охлаада-ецими установками 2.Висячие щиты Ограничений нет Лцр ""С У

. 3 Мости Излияние води из откосов дамб при гидродинамическом напоре I.Противофильт-м.4конные экраны ¿.Висячие щиты £„р<н

Ь Труба Замерзание талых вод при возврате морозов 1.Противоналед-ные оголовки 2.Упругие щиты

5 Трубы Сброс промышленных вод

б Трубы Уменьшение жиеого сзчекия потока при промерзании _п„

' "6- Трубы Уменьшение живого сечения потока массивными Фундаментами

9 оемпо- лотно дороги Уменьшение живого сечекия потока при повышении ВГВМ I.Мерзлотные пояса с охлажд. установками ¿.Противоналед-нне заборы Ограничении нет.

ю Здания Излияние воды через окна тали ков при криогенном напоре Мерзлотные пояса с охлазд. установками Ограничении нет

II Труби Разгрузка и замерзание воды глубокой циркуляции Шлюзы-регуляторы Ограничений нет

13 Мосты Уменьшение живого сечения поверхностных и подземных вод при промерзании к стеснение опорами I.Висячие,навесные или консольные Щ'ЛТЫ 2.Заборы с косыми стенками Н

Примечание: £ - прогнозируемая мощность наледи;.

Н - высота насыпи; Ю - высота отверстия трубы

Раздел Ш. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДОРОКНЫХ СООРУЖЕНИЯ НА ВОДОТОКАХ С НАЛЕДЯМИ

Методы проектирования и эксплуатации дорожных сооружений на водотоках с наледями в СССР начали разрабатываться в 20-х -40-х годах. Первый предложения бнчи сделаны М.К.Евдокимовым -Рокотовским, В.Г.Петровым. Требований к прокладке трассы дорог на наледных участках разработаны. Г. 1.Низовкиним (1954). Для водотоков с наледями С.И.Танеев (19?4) предложил двухъярусные трубы, Й.О.Таргулян (1961) - свайно-эстакадные мооты, Б.В.Уткин (1973) - рекомендации по выбору мест перехода водотоков, Н.Ф.Савко (1974), А.П.Казаков (1974), Д.М.Меркулов (1978) -методику vПpeдeлoния высоты отверстия моста в зависимости от мощности наледи. Отмеченные работы позволили улучшить борьбу с наледями на дорогах, однако они не охватывапт необходимый комплекс вопросов проектирования и эксплуатации сооружений на водотоках с наледями.

Наибольшее значение при проектировании сооружений на водотоках о наледями являются высота отверстия, тип опор и фундаментов. На основе принципов экономичности, технической обоснованности и надежности при воздействии наледных процессов ниже изложены рзиенчя указанных вопросов, а также предложены необходимые требования к эксплуатации сооружений.

I. Высота отверстий сооружений. Как известно, наиболее рациональным принципом проектирования вновь строящихся искусственных сооружен !й на водотоках с наледями является принцип свободного пропуска наледеобр'азуйщей воды чер-з зону сооружения /2,3/. При этом принципе проектирования Н.Ф.Савко и А.П.Казаков (1974), Д.М.Меркулов (1978) высоту отверстий предложили назначать из расчета пропуска по поверхности прогнозируемой мощности наледи расчетного расхода весенних вод. Такое трео'ованиь не обосновано и является 'завыгедным, что удорожает строительство и ухудшает продольный профиль дороги.

Многолетние наблюдения автора за стоком весенних вод на водотоках з Магаданской области и Тувинской АССР показали.

что расчетный расход весенних вод по прогнозируемому уровню наледи никогда не проходит. Вначале стока при налом расходе весенняя вода промывает в наледи канаву, часто у берега, и уходит под лед. По мере увеличения расхода наледь размывается, части ее обрушиваотсй и уносятся водой. К моменту наступления расчетного расхода весеннего паводка русло очищается от наледи.

В Магаданском управлении и Кызыльском центре по гидрометеорологии автором собрали графики комплексных гидрометеорологических набладений на водотоквх с наледями, один из них приведен на рис.7. Эти графики также показывают, что после нобольпого стока по наледи вода уходит под лед и уровень рсзхо падает. Затем, по мере увеличения расхода, уровень поднимается. Максимальный уровень весеннего паводка наступает в Тувинской АССР через 1-1,5 месяца от начала стока, а в Магаданской области через 1,5-2,0 месяца, когда русло очищается от наледи. На графике (рис.7) видно, что при стоке по наледи уровень води поднимается всего на 20 см.

Согласно требованиям СНиП 2.05.03-8^ возвышение низа пролетных строений мостов над уровнем води при максимальных расходах должно быть не менее 0,5 м. Такое ке возвышение рекомендуется автором и над прогнозный уровнем наледи /18/. Исходя из этого высота подмостового отверстия Нг принимается .максимальной из двух условий:

Н~/1р-г0,5„ (15) Иг= £нр+ЛЗм Об)

где - высота над уровнем ыехеиней воды, необходимая

для пропуска расчетного расхода; 3?кр - прогнозная мощность наледи.

2. Применение принципа_паз^елеиотока. При большой мощности наледи, когда Ж^р У +0,5 м, и большом возвышении сооружения ухудшается продольный профиль дороги. В таких случаях автором предложено применять при проектировании вновь строящихся сооружений принцип разделения потока, изложенный в разделе II. При этом высота отверстия сооружения назначается из условия пропуска максимального расчетного

Ркс. 7 График комплексных гидрометеорологических наблюдений на реке Кнзил-Хек у пос. Уш-Баядкр в Тувинской АССР

й - расходы води; И г уровень поди; ¿е(? - температура воздуха; А - осадки

расхода по формуле (15). Сооружение проектируется в коип-лексо с инвентарным оборудованием противоналедной защити: навесными и висячими шитаки у мостов, противоналедными оголовками у труб.

Применение при проектировании строящихся сооружений принципа разделения потока нахедеобразувцей воды, а тайне назначение высоты отверстий по формула (15), позволяет значительно расширить типы рациональных сооружений на водотоках с наледями, умекьпить их высоту, сократить затраты на строительство, улучшить продольный профиль дорог и их транспортно-экономическив показатели.

В табл. 3 приведены типы рекомендуемых сооружений на

Таблица 3

Рекомендуемые типы малых и средних искусственных сооружений; на водотоках с наледями

м п/п Типы и конструкция сооруже"ий Классы и типы наледей Принцип проектирования

1 2 3 *

А. Известные типы соорукеш й

1 Мосты на свайных и столбчатых опорах '1.1.1.2. 1.3 ДЛ, П.8,111.9 Свободный пропуск

г Мосты с наклонными сваями —

3 Трубы без массивных фундаментов 1.4.1.5, П.6,П.7 _«_

Трубы на сваях П.б,П.7

5 Двухгяруснко трубы 1Л.1.5, П.6.П.7, П.8

б Трубы с лотками 1.5,П.8 Бозналедный пропуск

Б. Новые типы сооружений

I Мости с висячими и новосными противо-наледными щитами 1.1,1.2, 1.3.П.8, Ш.9 - Разделение потока

2 Мосты с консольными щитами

3 Мосты на бурообсад-них железобетонных сваях — Свободный пропуск

Трубы с протизона-ледким'и оголовками 1.5,П.6, П.7,П.8 Разделение потока

3 Трубы со шлизами-регуляторами ■ П.6,П.6 Безналедный пропуск

3*1

Продолжение табл. 3

I 2 3 4

6 Трубы с фильтрующи- 1.4,1.5, Свободный

ми насыпями П.б,П.7, пропуск

П.8

Примечание. Классы и типы наледей см. в табл. I

водотоках с наледямн и условия их применения. Наряду с известными типами в табл.3 приведены предложенные соискателем новые ранее но применявшиеся типы сооружений с противокалед-ными устройствами.

Бурорбсадиые железобетонный сван опор мостов. На водотоках с наледями наиболее рациональным типом опор являотся свайнь'з. Оки минимально стеснявт живое сечение поверхностного и подруслового потоков. Однако русло с поймы водотоков с наледями часто сложены из гравийно-галечниковых отложений с валунами. Забивать сваи в такие грунты сложно, а часто не удается. В связи с зткм в 195^-1956 гг соискателем разработана новая конструкция сборных бурсобсадннх железобетонных свай и технология кх погружения в гравийно-галачнкковые грунты с валунами к многолетномерзлые.грунты /2,4,5,6/.

Бурообсадные сваи состоят из секций сборных железобетонных труб диаметром 0,45 м и длиной 5,0 м, которые стшсувтся сваркой закладных обечаек. Нижняя секция имеет знизу стальнуи обечайку ь виде ножа. Эленонтн свай изготавливались центрифугированным способом из бетона класса В 40. Сваи забивались с предварительным ударно-канатным бурением через полость сваи. По мере погружения сваи наращивались. Когда свая достигала проектной глубины, её полость очищалась и заполнялась бетоном, в нижней части с применением подводнсго бетонирования методом ВПГ. После твердения подводного бетона и откачки воды свая заполнялась бетоном обычным способом.

При строительстве и реконструкции мостов' в Магаданской области погружено более 2000 бурообсадиых свзй. Произведен-

кая при реконструкции мостов замена ряжевых опор бурообсад-ными сваями позволила резко сократить каледёобразование у мостов. У многих мостов образование наледей прекратилось совсем, тогда кь.ч до замены опор оьи развивались ежегодно.

В сравнении с ранее применявшимися опорами мостов, со- . оружаемц* в открытых котлованах методом вымораживания, опори на бурообсадных железобетонных сваях оказались в 3 раза дешевле и для их возведения требуется в II раз меньше трудовых затрат /V- На конструкций железобетонных бурообсадных свай^ технологии их изхч>товления и погружения КРИЗом Главного управления Дальстроя МЦМ соискатели выданы удостоверения £585 от I5.I2.IS56 г и №590 от 19.12.1957 г. Новизна типа сзай в период их внедрения состояла.в их конструкции (стыков, наконечников, применении центрифугированного бетона), а технология - в способе погрукения железобетонных труб-оболочек в гравийно-галечниковые грунты с валунами.

4. Расчет опор на устойчивость при образовании налетных бугров. Свайные опоры мостов нередко подвергаются выпучивании под действием гидродинамического давления в полостях формирующихся ледяных бугров. В рлботе /2/ автором предложена методика расчета на устойчивость опор, основанная на определении предельной сила смерзания льда с материалом опору. Устойчивость на выпучивание определяется условием

IГ,««(Рг<Р^Р?) а?)

гдо Г/ - длительная прочность смерзания материала опорн с льдом; <¡4 - плоцадь боковой поверхности смерзания опори о льдом; • ~ нормативное значение постоянной нагрузки

на опору; Рг, -.силы, удерживающие опору от выпу-

чивания вследствие соответственно трения талог грунта по боковой поверхности фундамента, смерзания фундамента с шо-голетнемерзлам грунтом и заделки в скалу; гп- - коэффициент условий работы, определяемый по СНиП П-18-76;

~ коэффициенты надежности соответственно по назначении и по нагрузке, определяемые по СНиП 2.05.03-8'«.

на водотоках с наледями осуществляется по принципу предотвращения вредных воздействий наледей на сооружения и обеспечения высоких транопоргно-эко-номкческих качеств дорог.

Указанный принцип осуществляется на основе положений, разработанных соискателем в работгх /1,2,3/ и утвержденных Ми..аьтодором РСФСР. К ним относятся: 1)паспортизация всех наледей в дорожной полосе, 2)созданиэ в дорожных организациях иаледеопасных районов комплекса инвентарного оборудования для оперативной борьбы с наледной опасность« (сборных металлических блоков противонвледных висячих, навесных и консольных иитов к мостам; регулирующих иктоз к противоналедным оголовка! труб; упругих щитов к трубам; съемных секций к проткБОка-ледным заборам, ледомерных вех и др.); 3)введение системы ежегодных наблвдзний за развитием наледнкх процессов оееньп, зимой и весной; 'Оеяегодное проведение леток и осеньо рабст по подготовке к борьбе с наледями.

Автором разработан паспорт наледи /3/, которой внедрен на дорогах. В паспорте ежегодно отражаются динамика наяедных процессов, параметры наледей, применяемые методы борьб«, 'их оффективность и затраты. Система ежегодных наблюдений вкли-чает установку осенью ледомерных взх у сооружений с опасными наледями, еженедельные наблюдения за динамикой наледкых процессов, оперативную борьбу с наледной опасность», определение параметров наледей весной.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТУ

Совокупность результатов выполненных соискателем разработок и исследований позволила осуществить научно обоснованные технические ранения важной народно-хозяйственной проблемы защиты дорожных сооружений от наледей, Енедроние которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в данной области. При этом получены следуюцие научные результаты.

I. Предложена типизация моделей образования наледей у дородных сооружений в зависимости от генетических типов наледей и вида сооружений, включающая тик новы/, модели, на осиоЕе

которой производятся расчеты прогнозных параметров наледей и проектирование противоналедной защиты.

2. Разработан и внедрен в практику новый вероятностный метод расчета параметров наледей, позволяющий на основе количественных характеристик наледей в год изысканий и метеорологических данных за ряд лет путем построения кривых вероятности сукк атмосферных осадков и глубин промерзания определять параметры наледей заданной обеспеченности (объем, мощность). Для практических расчетов разработаны алгоритмы программ для ЭВМ.

3. Разработан, новый нетод противоналедной защиты, основанный на принципе разделения потока наледеобразупщей воды на допустимей объем стока б отверстие соорукеиия я аккумуляций остальной части наледного стока перед сооружением. При разделении потока верхняя часть отверстия сооружения остается свободной для стока весенних вод в начальный период с последующей саморазработкой отверстия к освобождения его от наледного льда.

Ка основе принципа разделения потока разработаны и внедрены в практику новые эффективные конструкция протявона-ледных устройств: противоналедные оголовки водопропускных труб, висячие, навесные и консольные противоналедные щиты для мостов, заборы с косыми стенками и высокой нижней кромкой. Регулирующие и висячие щиты указанных устройств разде-ллат наледообразующий поток автоматически, оставляя заданную величину свободной части отверстия для начального стока весенних вод.

Внедрение указанных противоналсдных устройств у. 11-ти сооружений на дорогах Тувинской АССР позволило получить годовую экономии 90 тыс.руб. при этом в 9 раз сократились' трудовые затраты. Произведенный расчет показывает, что при широком внедрении разработанных новых конструкций прогивоналед-ных устройств во всех наледеопасных районах РС$СР ожидаемый экономический эффект может составлять II миллионов рублей.

5. Разработаны принципы экономичного проектирования вновь строящихся дорожных сооружений на водотоках с наледями, состоящие в применении принципа разделения потока, обосновь-

ним назначения бцсоты отверстия, применении новых рациональных типов сооружений. Внедрение указанных положений позволяет расширить типы рациональных сооружений на водотоках с наледями, уменьшть их высоту, сократить затраты на строительство и улучпить тракспортно-зкономические показатели дорог.

6. Разработан к внедрен новый тип сборных бурообсадных железобетонных свай и технология их погружения в гравийно-галечниковые грунты с валунами и многолетнемерзлые грунты на водотоках о наледями. Погружено более 2000 свай. Их внедрение при реконструкции и строительстве мостов в Магаданской области позволило резко сократить наледеобразование у постов, в

3 раза уменьшить стоимость опор мостоз и в II раз трудовые затраты.

7. Предложена методика расчета устойчивости опор мостов на выпучивание под действием гидродинамического давления в Полостях формируощихся наледных бугров, основанная на определении продольной силы смерзания льда с материалом опор.

8. Даны принципы эксплуатации дорожных сооружений на водотоках с наледями, содержащие разработанные автором /3,18/ следупщие основные положения, обеспечивашцие предотвращение вредных воздействий наледей на сооружения: 1)паспортизация вссх наледей в дорожной полосе, 2)создание в дорожных организациях наледеопасных районов комплексов инвентарного оборудования для оперативной борьбы с налодной опасностью, 3)взедение систем! ежегодных наблодений за развитием наледных процессов, 4)ежегодное проведение летом и осенью работ по подГотовке к борьбе с наледями. ■

Разработано и утверждено Минавтодором РС£СР Руководство по проектировании, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледяни.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМй ДИССЕРТАЦИИ

I. Отдельные издания

I. Руководство по проектировании .искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями. -М:Транспорт,

1978, 61 с (Соавтор Н.Ф.Савко)

2, Искусственные сооружения на водотоках с наледями. -Л: СтроЯиздат, 1983, 180 с.

3. Руководство по проектировании, строительству и эксплуатации искусственных сооружений на водотоках с наледями. -Mi Транспорт, IS89, 119 с.

(I. Статьи в журналах и сборниках

Бурооосадиив железобетонные опоры мостов на горных реках //Колыма, Магадан, 1958, т. с. 2 4-27

5. Опыт строительства мостов на бурообсадннх железобетонных опорах //Колыма, Магадан, 1У61, М, с,33-36

6. Строительство здания lia бурообсадннх железобетонных сваях //Колыма, Магадан, 1965, £5, 0.24-26

7. Особенности строительства мостов на Северо-Востоке СССР /Научные труды ВЛТИ, т XXXI, сб.2, 1967, с.110-119

8. Влияние наледей на мощность ледохода и речной сток //Karl1': риалы научно-технической конференции ВИСИ,Воронеж, 1971

9. Основные принципы проектирования искусственных сооружений БАМ на водотоках с наледями. - Б сб. Проектирование, строительство и эксплуатация БАМа /Труды ЛИШИТ, Л. 1978, с.110-111

10. Автомобильные дороги Колымы и Чукотки //Колыма, Магадан, 1978, »7-8, с.89-93 (Соавтор Николов С.И.)

11. Дорожное строительство' на Крайнем Северо-Востоке //Колымг1 Магадан, 1986, И, с.27-29

12. Пропуск весеннего паводка при закупорке труб наледями //Автомобильные дороги. - 1986, №3, с.16-17

13. Вероятностный метод прогнозирования расчетных параметров наледей //Автомобильные дороги. .- 1989, №11, с.19-21

14'. Противоналеднне оголовки водопропускных труб //Автомобильные дороги. - 1990, №4, с.13-14 (Соавторы МуромцепЗ.А., Трофимов В.К.)

15. Новые конструкции для защиты «остов от наледей //Автомобильные дороги. - 1991, №2, с.10-12

16. Типы и модели наледей у дорохных сооружений //Автомобильные дороги. - 1991, №5, с. 12 - 14

денил, - Новосибирск, Наука, 1991,

18. Борьба с наледями на дорогах Тувинской АССР //Автомобильные дороги. - 1991, №7, с. (Соавтор Муромцев Б.А.)

19. Составная предварительно напряженная балка. - A.c.

JH560701, Кл.А 1, опубл. 30.04.90, бол. »16 (Соавторы Гаврилова Б.А., Рюмина Е.А.)

20. Устройство для аккумуляции холода в фильтрационном грунте. - A.c. И580891, Кл. AI, 1990 (Соавторы 1'апеев С.И., Гапеев B.C.)

21. Водопропускное сооружение. - По заявке №4612372 получено

27.12.89 положительное решение Гос.комиэобретений о. выдаче авторского свидетельства

22. Устройство для запиты мостов от наледей. - По заявке ■ №4805264 получено 27.09.90 положительное решение Госком-изобретений о выдаче A.c.

23. Водопропускное сооружение. - По заявке )£ч2б2330 получено

30.08.90 положительное- решение Госкомизобретений о выдаче A.c. (Соавтор Котляров В.А.)

17. Прогнозирование параметров наледей. //Проблемы наледеве-

И. Изобретения