Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями

2.9. Измерение толщины наледей может производиться посредством ледомерных вех, которые осенью устанавливают на наледной поляне, или бурением наледного льда мотобуром или гидротермобуром.

В зависимости от конфигурации наледи и ее размеров ледомерные вехи или буровые скважины могут располагаться по разным схемам (рис. 1). Для вытянутых в длину и нешироких наледей вежи или скважины экономичнее располагать по линиям характерных поперечных профилей (рис. 1, а), размещая их по возможности на равных расстояниях. Выбор прямоугольной сетки (рис. 1, б) целесообразен на относительно широких наледях.

Количество поперечников назначают в зависимости от длины наледи, но не менее пяти, а расстояние между вехами или скважинами на поперечнике - не более 1/4 их длины. Если наледь большая и ровная, то расстояния между поперечниками можно назначать 100-200 м. Необходимо стремиться, чтобы поперечники проходили через сужения и расширения наледи и боковые ее ответвления.

Расположение поперечников с измеренными расстояниями по их створам и между ними наносят на план наледи, по которому определяют ее площадь А_П и длину l_П.

2.10. Среднюю толщину наледи на поперечнике определяют по формуле

(1)

где Z₁ и Z_m - толщина у крайних вех или скважин на поперечнике; b₀ и b'₀ - расстояние от краев наледи до крайних вех или скважин; Z_i - толщина наледи у i-й вехи или скважины; b_i - расстояние между вехами или скважинами на поперечнике; m-количество вех или скважин на поперечнике.

Средняя толщина наледи на наледной поляне

Рис. 1. Схемы расположения ледомерных вех или буровых скважин на наледях:

а - по линиям характерных поперечных профилей; б - в углах прямоугольной сетки

(2)

где Z_1СР и Z_ПСР - средняя толщина наледи на крайних поперечниках; а₀ и a'₀ - расстояния от крайних поперечников до краев льда у начала и конца наледи; Z_iСР - средняя толщина наледи на i-м поперечнике; a_i - расстояние между поперечниками; n - число поперечников.

Объем наледи в год изысканий

V_НИ=Z_НСРА_Н, (3)

где А_Н - площадь наледи.

Объем наледи можно вычислить также путем суммирования отдельных блоков между поперечниками по формуле

(4)

где f₁ и f_n - площадь крайних поперечников; f_i - площадь i-го поперечника.

Максимальную толщину наледи Z_max определяют по наибольшему показанию ледомерных вех, скважин или нивелированием.

2.11. При ледомерных съемках для каждой наледи необходимо определять коэффициент ее форм Y, который определяется по формуле:

(5)

где Z_MAX_И и Z_{СР И} - толщина наледи на наледной поляне соответственно максимальная и средняя.

Коэффициент формы характеризует формы ложа, поверхность наледи и особенности ее развития. Он необходим для прогнозирования расчетных параметров наледи.

2.12. В период ледомерных съемок изучают особенности развития каждой наледи, определяют тип подземных вод, питающих наледь: грунтовые, надмерзлотные, подмерзлотные, межмерзлотные, тектонических разломов. Уточняют местонахождение подземных источников, характер излива, измеряют дебит, температуру воды и производят ее химический анализ; определяют расположение и размеры наледных бугров, толщину льда, уровень ледостава на реке.

3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАЛЕДЕЙ 3.1. Расчет мостов, труб и пойменных насыпей на воздействие наледей следует производить по их расчетным параметрам, которые должны определяться как и для водного потока с вероятностью превышения, указанной в п. 1.25 СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы.

3.2. Основными параметрами наледей, которые используются при проектировании искусственных сооружении и противоналедных устройств, являются: объем наледи, ее толщина (средняя и максимальная), ширина и длина.

3.3. Развитие наледного процесса зависит от многих природных и техногенных факторов. Все природные факторы наледеобразования можно разделить на две группы: 1) гидрогеологические и геоморфологические; 2) гидрометеорологические.

Для конкретного водотока гидрогеологические и геоморфологические условия ежегодно остаются неизменными, а гидрометеорологические факторы изменяются в годовом и многолетнем циклах. В зависимости от сочетания величин гидрометеорологических факторов в разные годы наледи образуются больших или меньших размеров.

Методика прогнозирования 3.4. Ежегодный объем наледи на рассматриваемом водотоке зависит от суммы жидких осадков в летне-осенний период предыдущего года и глубины промерзания.

Прогнозирование параметров наледей поверхностных и подземных вод производится вероятностным методом переходных коэффициентов, разработанным В.А. Дементьевым. Он может применяться при прогнозировании природных наледей, которые зафиксированы на водотоке при изысканиях трассы дороги и инженерно-геологическом обследовании.

При этом методе прогнозируемый объем наледи V_нp с заданной вероятностью превышения определяют по формуле:

V_нр=g_nV_ниk_xk_fk_c, (6)

где g_n -коэффициент надежности, принимаемый равным 1,20; V_ни - объем наледи в год изысканий (определяемый в апреле-марте) при наибольшем ее развитии; k_x, k_f, k_c- коэффициенты, учитывающие соответственно жидкие осадки в летне-осеннее время предыдущего года, сезонное промерзание и стеснение потока поверхностных и грунтовых вод строительством сооружения.

Коэффициент, учитывающий осадки,

(7)

где Sx_p - сумма жидких осадков с расчетной вероятностью превышения, определяется по кривой обеспеченности; Sx_И - сумма жидких осадков в летне-осенний период в год, предшествующий году определения объема природной наледи при изысканиях. Осадки вычисляются, начиная с июля месяца.

Коэффициент, учитывающий сезонное промерзание,

(8)

где d_fp - глубина сезонного промерзания с расчетной вероятностью превышения, определяют по кривой обеспеченности; d_fИ - глубина сезонного промерзания в год изысканий (обследования наледи), определяют расчетом.

Коэффициент, учитывающий стеснение потока строительством сооружения,

(9)

где w_ф - площадь фильтрационной зоны по оси перехода до постройки сооружения; w_с - площадь стеснения фильтрационной зоны постройкой сооружения.

Коэффициент k_c применяют только при проектировании вновь строящихся искусственных сооружений. Если прогнозирование производят на водотоках у существующих сооружений, то этот коэффициент не учитывают. Не учитывают его при ключевых наледях, когда излив наледеобразующей воды происходит непосредственно на поверхность земли.

3.5. В многолетнем цикле изменчивость сумм жидких осадков и глубин сезонного промерзания носит случайный характер, поэтому их расчетные значения определяют на основе вероятностного прогноза по кривым обеспеченности. Для этого по данным ближайшей метеостанции за любые 20-25 последовательных лет составляют таблицы сумм жидких осадков в летне-осенний период, среднемесячных температур воздуха и толщины снежного покрова, начиная с месяца наступления устойчивой отрицательной температуры воздуха и кончая месяцем со средней температурой не выше минус 12 °С. Осадки вычисляют для ряда лет, предшествующих годам промерзания.

Вычисленные суммы жидких осадков и глубины промерзания записывают в таблице ранжированными рядами в убывающем порядке с указанием года наблюдений (табл. 2). Для каждого порядкового номера ряда определяют эмпирическую вероятность превышения, согласно СНиП 2.01.14-83, по формуле

(10)

где i - порядковый номер ряда; n - общее число членов ряда (количество лет наблюдений).

По данным таблицы, на специальной клетчатке вероятностей строят эмпирические кривые обеспеченности сумм жидких осадков и глубин промерзания, по которым экстраполяцией производят прогноз расчетных значений суммы жидких осадков и глубины промерзания с заданной вероятностью превышения.

Таблица 2. Ординаты аппроксимирующих кривых обеспеченности сумм жидких осадков и глубины промерзания на реке А

Порядковый номер ряда

Эмпирическая вероятность

Сумма жидких осадков за VII-X месяцы, мм

Глубина промерзания, м

S_x, мм

Год наблюдений

d_f

Год наблюдений

0,0385

356,996

1982

2,31866

1966

0,0769

329,181

1972

2,26028

1964

0,1158

305,387

1977

2,20477

1979

0,1538

284,8

1973

2,15192

1962

0,1923

266,814

1966

2,10154

1977

0,2308

250,965

1985

2,05347

1981

02692

236,893

1983

2,00754

1079

0,3077

224,316

1978

1,96363

1984

0,3462

213,007

1975

1,9216

1975

0,3846

202,783

1974

1,88133

1982

0,4231

193,496

1984

1,84271

1968

0,4615

185,022

1961

1,80564

1970

0,5000

177,259

1969

1,77004

1983

0,5385

170,121

1979

1,73581

1973

0,5769

163,536

1962

1,70289

1978

0,6154

157,442

1967

1,67119

1963

0,6538

151,786

1968

1,64064

1976

0,6923

146,522

1970

1,6112

1074

0,7308

141,611

1976

1,58279

1985

0,7692

137,018

1980

1,55536

1969

0,8077

132,714

1981

1,52887

1971

0,8462

128,672

1963

1,50327

1965

0,8846

124,869

1965

1,47851

1986

0,9231

121,284

1971

1,45456

1980

0,9616

117,9

1964

1,73136

1967

При построении кривых обеспеченности по данным наблюдений за осадками и вычисленным глубинам промерзания получают ломаные линии, не отвечающие функциям

S_х=f₁(Р_Э) и d_f=f₂(Р_Э), (11)

Поэтому кривые аппроксимируют по методу наименьших квадратов. Определяют аналитическую функцию с лучшим приближением, например, дробно-рационального вида

(12)

которую принимают в качестве аппроксимирующей.

3.6. При прогнозировании объема наледи с заданной вероятностью превышения следует найти такие расчетные вероятности суммы^; жидких осадков и глубины промерзания, произведение которых равно заданной обеспеченности объема наледи:

P(V_нр)=P(Sx_p)P(d_fp), (13)

где P(V_нр) - заданная (нормативная) вероятность превышения объема наледи (см. п. 1.25 СНиП 2.05.03-84); Р(Sx_p) - расчетная вероятность превышения суммы жидких осадков; P(d_fp) - расчетная вероятность превышения глубины сезонного промерзания.

Неизвестные Р(Sx_p) и P(d_fp) в уравнении (13) определяют из условия, когда соотношение между ними соответствует году изысканий:

(14)

тогда (15)