3.16. Прогнозирование расчетных параметров наледей подземных вод производят так же, как и наледей смешанного питания, вероятностным методом переходных коэффициентов.
Так как поверхностного зимнего стока нет, глубину промерзания определяют только для грунтового потока. Для ряда 20-25 лет составляют таблицы среднемесячных температур воздуха, сумм жидких осадков и толщины снежного покрова. По формуле (24) вычисляют глубины промерзания грунта. Суммы жидких осадков и глубины промерзания записывают в таблице ранжированными рядами и строят кривые обеспеченности. По формулам (13)-(16) определяют расчетные вероятности хр и dfp и по кривым обеспеченности находят расчетные сумму жидких осадков и глубину промерзания.
По формулам (7)-(9) вычисляют переходные коэффициенты, а затем по формулам (6), (19) и (20) прогнозируемые объем наледи, ее среднюю и максимальную толщину.
Для расчетов глубин промерзания грунта, сумм жидких осадков и построения аппроксимирующих кривых обеспеченности используют ту же комплексную программу для ЭВМ Лед-I, но толщину льда принимают равной нулю, так как зимой поверхностного стока не бывает.
Пример прогнозирования расчетных параметров наледи подземных вод приведен в прил. 3.
Прогнозирование параметров наледей поверхностных вод
3.17. К этому тину относятся наледи, которые питаются только поверхностными водами. Они развиваются на реках со значительной глубиной воды. Зимой такие реки до дна не промерзают. Поэтому при прогнозировании учитывают стеснение потока только нарастанием речного льда.
3.18. Как при наледях смешанного питания, при прогнозировании наледей поверхностных вод для ряда 20-25 лет составляют таблицы среднемесячных температур воздуха согласно указаниям п. 3.5, толщины снежного покрова и сумм жидких осадков.
Толщину нарастания льда при промерзании поверхностного потока определяют по формуле
(27)
где hЭ - эквивалентная толщина льда, определяемая по формуле,
(28)
где hЛО - начальная толщина льда, м; - период промерзания, с.
Вычисленные толщины льда и суммы жидких осадков записывают в таблице ранжированными рядами с указанием эмпирической вероятности превышения. По данным таблицы строят кривые обеспеченности х и hЛ.
По формулам (13)-(16) определяют расчетные вероятности сумм жидких осадков и толщины нарастания льда, по кривым обеспеченности находят расчетные сумму жидких осадков и толщину нарастания льда.
По формулам (7)-(9) вычисляют переходные коэффициенты, а затем по формулам (6), (19) и (20) - прогнозируемые объем наледи, ее среднюю и максимальную толщину. При этом во все формулы вместо глубины промерзания df подставляют толщину льда hЛ.
3.19. Для расчетов толщины нарастания льда, определения сумм жидких осадков и построения аппроксимирующих кривых обеспеченности разработана программа I СЕ 2 (Лед-II) для ЭВМ типа «Электроника-60».
Программа I СЕ 2 (Лед-II) приведена в прил. 4.
Пример прогнозирования расчетных параметров наледи поверхностных вод приведен в прил. 5.
Прогнозирование параметров ключевых наледей
3.20. Ключевые наледи формируются подземными водами глубинных источников, выходящих непосредственно на дневную поверхность в виде ключей (на склонах речных долин, из разломов обнаженных коренных пород). Объем ключевой наледи зависит от дебита источника и продолжительности морозного периода. Дебит подземных источников изменяется в зависимости от количества предшествующих жидких осадков.
3.21. Прогнозирование расчетных параметров ключевых наледей производят также вероятностным методом переходных коэффициентов. Прогнозируемый объем ключевой наледи VКНР с заданной вероятностью превышения определяют по формуле:
VКНР=??nVКНИkxk??, (29)
где n - коэффициент надежности, принимаемый равным 1,20; VКНИ - объем ключевой наледи в год изысканий (определяемый весной в конце морозного периода; kx и k - коэффициенты, учитывающие соответственно жидкие осадки и продолжительность морозного периода.
Коэффициент, учитывающий осадки,
kx=??xp/??xИ, (30)
где xp - сумма жидких осадков с расчетной вероятностью превышения, определяемая по кривой обеспеченности; SxИ - сумма жидких осадков в летне-осенний период в год, предшествующий году определения объема природной наледи. Осадки вычисляют, начиная с июня.
Коэффициент, учитывающий продолжительность морозного периода,
k=??р/??И, (31)
где р - продолжительность морозного периода с расчетной вероятностью превышения, определяется по кривой обеспеченности, сут; И - продолжительность морозного периода в год изысканий (определения объема наледи), сут.
3.22. По данным метеостанции для ряда 20-25 лет составляют таблицы сумм жидких осадков и продолжительности морозного периода, которые располагаются ранжированными рядами с указанием эмпирической вероятности превышения. По данным таблицы, на клетчатке вероятностей строят кривые обеспеченности сумм жидких осадков и продолжительности морозного периода.
Определяют расчетные вероятности превышения суммы жидких осадков и продолжительности морозного периода по формулам:
(32)
(33)
где P(Vнp) - заданная (нормативная) вероятность превышения объема наледи.
Определив расчетные вероятности суммы жидких осадков и продолжительности морозного периода, по кривым обеспеченности находят расчетную сумму жидких осадков и продолжительность морозного периода. После этого по формулам (30) и (31) вычисляют переходные коэффициенты, затем по формулам (29), (19) и (20) - прогнозируемые объем наледи, ее среднюю и максимальную мощность.
3.23. Для расчетов сумм жидких осадков, продолжительности морозного периода и построения аппроксимирующих кривых обеспеченности разработана программа I СЕ 3 (Лед-III) для ЭВМ типа «Электроника-60».
Программа I СЕ 3 (Лед-III) приведена в прил. 6.
Пример прогнозирования расчетных параметров ключевой наледи приведен в прил. 7.
Прогнозирование параметров наледей на потенциально наледных водотоках
3.24. К этой группе относятся водотоки, на которых в период изысканий природные наледи не обнаружены, но по данным гидрогеологического и мерзлотно-геологического обследования в суровые зимы и после дождливой осени они могут развиваться. Строительство дорожных сооружений нарушает естественный водно-тепловой режим водотока. Во многих случаях это приводит к активизации наледного процесса. Наледи могут появиться там, где раньше их не было.
3.25. Определение расчетных параметров наледей на указанных водотоках может быть сделано одним из следующих способов. Необходимо тщательно обследовать берега и попытаться найти косвенные признаки образования наледи в предыдущие годы. Опросы старожилов и обследование растительности могут дать сведения о размерах наледи и давности ее образования. Определив уровень наледи, по рельефу местности можно приближенно определить ее размеры. Затем вероятностным методом переходных коэффициентов сделать прогноз ее параметров с необходимой вероятностью превышения.
Если при обследовании водотока косвенные признаки границ наледи не обнаружены, а гидрогеологическое и мерзлотно-геологическое обследование водотока и намечаемые нарушения природных условий постройки сооружения показывают возможность образования наледи, то ее параметры могут быть приближенно определены методом гидравлических сопротивлений.
3.26. Расчетные толщины наледей поверхностных вод средняя и максимальная Zрн ср и Zрн max, вызванных нарушением естественных водно-тепловых условий водотока при строительстве и образующихся по схеме 1-а (рис. 4), могут быть определены по формулам:
Zрн ср=(DI+1,09hc); (34)
Zрн max= Zрн ср, (35)
где - коэффициент надежности, принимаемый равным 1,20; D - параметр, значения которого определяют по графикам (рис. 5) в зависимости от отношения величин hП/(НВ-df); HВ - глубина потока в начале ледостава; df - глубина промерзания выше стесненного участка; hП - глубина потока в зоне стеснения; I - уклон водотока; hс - толщина снега, м; - плотность снега; - коэффициент формы наледи.
3.27. Расчетная толщина наледей грунтовых вод, вызванных нарушением естественных условий при строительстве и образующихся по схеме II-а (см. рис. 4), может быть определена по формуле
ZГн ср=(Z1+Z2+1,09??hc), (36)
где Z1=0,88??' (37)
Z2= (38)
(39)
=1 при (40)
(41)
где ?? - коэффициент сопротивления грунтовой перемычки; ?? - коэффициент, значения которого определяют из условий (40-41); dfм - максимальная глубина промерзания под искусственным сооружением или на естественном участке, м; d?? - глубина залегания зеркала грунтовых вод, м; ' - коэффициент, определяемый в зависимости от отношения глубины залегания зеркала грунтовых вод к глубине залегания водоупора:
d??/HВ 0,03 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
??'................ 0,26 0,35 0,47 0,60 0,67 0,73 0,80
Максимальная толщина грунтовой наледи
Zн max=??Zн ср. (42)
Рис. 4. Схемы образования наледей, вызванных нарушением естественных водно-тепловых условий:
I-а - на поверхностных водотоках; II-а - при грунтовом потоке:
1 - речной лед; 2 - снег; 3 - аллювиальные отложения; 4 - водоупор; 5 - мерзлый грунт; Q2 - излив наледеобразующей воды
Рис. 5. Графики для определения параметра D при а - при малых значениях D; б - при больших значениях D
Если перед ледоставом на водотоке наблюдается поверхностный сток, параметры наледи смешанных вод могут быть определены по формулам:
Zсн ср= Zрн ср+ZГн ср; (43)
Zсн max=??Zсн ср. (44)
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ВОДОТОКАХ С НАЛЕДЯМИ
Принципы проектирования и типы сооружений
4.1. На водотоках с наледями искусственные сооружения должны быть запроектированы так, чтобы наледи не оказывали на них вредных воздействий и не создавали затруднений при эксплуатации в течение всего срока службы. Это достигается применением рациональных типов и размеров сооружений, максимальным сохранением на переходе природных условий, организацией зимнего стока, строительством противоналедных сооружений и проведением мероприятий по борьбе с наледями в период эксплуатации.
Искусственные сооружения на водотоках с наледями проектируют на основе данных инженерно-геологического обследования водотоков и прогнозирования наледных процессов. При прогнозировании определяют расчетные параметры наледей, по которым с учетом пропуска паводковых вод назначают размеры отверстий искусственных сооружений.
4.2. На водотоках с наледями можно проектировать следующие тины искусственных сооружений: 1) мосты на свайных и столбчатых опорах; 2) прямоугольные и круглые трубы; 3) трубы с постоянными противоналедными устройствами; 4) трубы с фильтрующими насыпями.
Выбор типа искусственного сооружения зависит от водности водотока, мерзлотно-грунтовых и гидрогеологических условий, размеров наледи, характера ее действия и принятого принципа проектирования.
4.3. Применяемые на водотоках с наледями тины искусственных сооружений не должны вносить больших нарушений в естественный водно-тепловой режим водотока. Чтобы не вызвать активизацию наледного процесса, стеснение подруслового потока фундаментами сооружений должно быть минимальным и на месте перехода необходимо максимально сохранять естественные природные условия.
Совершенно недопустимо на водотоках с наледями применять опоры мостов и водопропускные трубы с массивными фундаментами, которые значительно стесняют площадь фильтрации подрусловых вод, нарушают режим грунтового потока и приводят к активизации наледного процесса.
4.4. Рациональными типами опор мостов на водотоках с наледями являются свайные и из свай-столбов (рис. 6). Такие опоры мало стесняют фильтрационный порусловый поток и не вносят больших нарушений в его режим.
Рис. 6. Конструкция свайно-эстакадных мостов на водотоках с наледями:
а - фасад моста; б - опора с вертикальными сваями; в - опора на двух вертикальных сваях-столбах; г - то же, на двух наклонных сваях-столбах; д - одностолбчатая опора; 1 - уровень ледостава; 2 - отметка заложения опор
Опоры могут быть из ряда вертикальных свай (рис. 6, б) или из двух свай-столбов вертикальных (рис. 6, в) или наклонных (рис. 6, г). Наклонные сваи-столбы целесообразно применять при опасности деформаций от воздействия наледных бугров или морозного пучения грунтов. При таких условиях рациональны также одностолбчатые опоры (рис. 6, д), у которых большая постоянная нагрузка на столб, что увеличивает их устойчивость при пучении.
4.5. Водопропускные трубы можно проектировать на водотоках с небольшими наледями, когда их прогнозируемая толщина с расчетной обеспеченностью не превышает 2/3 высоты отверстия трубы. В необходимых случаях трубы следует проектировать в комплексе с противоналедными устройствами.
4.6. При благоприятных грунтовых условиях (гравий, галька, пески) на водотоках с наледями можно применять прямоугольные или круглые трубы на гравийно-песчаных подушках или фундаментах из сборных плит без противофильтрационных экранов (рис. 7, а, б). Чтобы глубина промерзания под трубой не превышала глубину промерзания в бытовых условиях, в основании трубы в ряде случаев могут быть сделаны теплоизоляционные подушки (рис. 7, а).
