Страница 5: Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями (54273)

4.7. Толщина теплоизоляционной подушки НТП под трубой при применении естественных теплоизоляционных материалов:

                                                  (45)

где                                                        (46)

где dfИ и df - глубина промерзания соответственно под фундаментом трубы при отсутствии теплоизоляционной подушки и с верховой стороны трубы в естественных условиях (определяются по формуле (24); hф - толщина плиты фундамента, м; ??ГР и ??ТП - коэффициенты теплопроводности соответственно мерзлого грунта и материала теплоизоляционной подушки, Вт/(м°С); LГР и LТП - количество скрытой теплоты льдообразования соответственно в единице объема грунта и материала теплоизоляции, Дж/м3.

Рис. 7. Конструкция труб на водотоках с наледями при благоприятных грунтовых условиях:

а - прямоугольная труба на фундаменте из сборных плит; б - круглая на гравийно-песчаной подушка; г - круглая на фундаменте из лекальных железобетонных блоков с теплоизоляционной подушкой

1 - граница укрепления откоса; 2 - сборные звенья трубы; 3 - фундамент из сборных железобетонных плит; 4 - уровень грунтовых вод; 5 - граница сезонного промерзания; 6 - водоупор; 7 - гравийно-песчаная подушка; 8 - лекальные блоки фундамента; 9 - теплоизоляционная подушка

Рис. 8. Конструкция круглой железобетонной трубы на однородном свайном основании:

1 - граница укрепления откоса; 2 - сборные звенья трубы длиной 2-3 м; 3 - железобетонная насадка; 4 - сваи на расстоянии, равном длине сборных звеньев трубы; 5 - верхняя граница многолетней мерзлоты; 6 - граница сезонного промерзания; 7 - уровень грунтовых вод

Толщину теплоизоляционной подушки из искусственных материалов (пенопласта, полистирола) определяют из условия, что глубина промерзания под фундаментом трубы не более глубины промерзания в естественных условиях. При этом глубину промерзания под фундаментом определяют при термическом сопротивлении, вычисляемом по формуле,

                                                      (47)

где hФ и Ф - соответственно толщина и коэффициент теплопроводности фундамента; НТП и ??ТП - толщина и коэффициент теплопроводности теплоизоляционной подушки.

4.2. При слабых и многолетнемерзлых грунтах в основании (сильно льдистых и пучинистых) могут быть применены круглые железобетонные трубы на однорядном свайном основании (рис. 8). При этой конструкции длинномерные звенья трубы (2- 3 м) опираются на фасонные насадки свай. Конструкция таких труб обеспечивает минимальное нарушение естественного мерзлотно-технологического режима водотоков.

При аналогичных условиях и наледях несколько больших размеров в отдельных случаях может быть целесообразна свайно-щитовая труба конструкции Ленгипротранса (рис. 9).

В глубоких логах и наледях большой толщины рациональна конструкция двухъярусной трубы, предложенная С.И. Гапеевым (рис. 10). Фундамент трубы состоит из железобетонных полых звеньев, заполняемых камнем и галькой. На фундаментные блоки в два яруса устанавливают прямоугольные блоки трубы и крылья оголовков. По высоте труба имеет два отверстия размеров 2??2 м. Между верхним и нижним ярусами в звеньях трубы делают отверстия размером 0,5??1,0 м. Если зимой образуется наледь толщиной 2,5-3,0 м и нижний ярус трубы окажется заполненным наледным льдом, это не опасно, так как остается свободной часть отверстия верхнего яруса. Когда начнется весенний сток, паводковые воды будут проходить через отверстия между ярусами трубы, и лед нижнего яруса будет подвергаться быстрому термоэрозионному разрушению.

Рис. 9. Конструкция железобетонной свайно-щитовой трубы Ленгипротранса:

1 – насыпь; 2 - защитный слой цементного раствора; 3 – гидроизоляция; 4 - плита перекрытия; 5 - насадки (ригели); 6 - закладные плиты; 7 - сваи; 8 - верхняя граница многолетней мерзлоты; 9 - растительный мохо-торфяной слой; 10 - укрепление растительного слоя деревянным настилом, покрытым галькой и гравием; 11 - щебеночная подушка

Рис. 10. Железобетонная двухъярусная труба для водотоков с наледями:

1 - железобетонные звенья трубы; 2 - отверстия в железобетонных звеньях размером 0,51,0 м; 3 - крылья оголовка; 4 - полые сборные звенья фундамента, заполняемые камнем и галькой

Рис. 11. Железобетонная труба с фильтрующей насыпью:

1 - насыпь; 2 - дренирующий грунт; 3 - сборные звенья круглой трубы; 4 - фильтрующая насыпь

4.9. В районах с местными каменными материалами трубы на водотоках с наледями целесообразно строить в комплексе с фильтрующими насыпями. Нижнюю часть насыпи на высоту 1,0-1,5 м возводят из камня, над которой устанавливают трубу (рис. 11). Фильтрующая насыпь выполняет роль фундамента трубы и одновременно пропускает малые расходы. Труба, поднятая на высоту 1,0-1,5 м над дном лога, меньше подвержена затоплению наледью. Весной она обеспечивает пропуск максимального расхода, а затем большую часть года находится в сухом состоянии, что увеличивает ее долговечность.

На суходолах с небольшими расходами и возможностью образования наледей малой толщины (не более 0,4 м) вместо труб допускается возводить фильтрующие насыпи (рис. 12).

Рис. 12. Фильтрующая насыпь:

1 - грунт; 2 - каменная отсыпка

4.10. Отверстия искусственных сооружений на водотоках с наледями определяют расчетом на пропуск по поверхности наледи расчетного паводка. При гидравлическом расчете, отверстия не учитывают срезку и размыв, напорный и полунапорный режимы для труб не допускаются. Отверстия должны быть не менее 2 м для круглых и прямоугольных труб и 15 м для мостов. Для труб, сооружаемых в комплексе с фильтрующей насыпью, отверстие может быть назначено 1,5 м.

Малые мосты рекомендуется проектировать, как правило, на свайных опорах (см. рис. 6, б). При невозможности погружения свай забивкой можно применять бурообсадные или опускные сваи.

4.11. На водотоках с наледями искусственные сооружения проектируют по одному из следующих принципов:

1) свободный пропуск наледи через зону искусственного сооружения;

2) безналедный пропуск водотока;

3) задержание наледи выше искусственного сооружения.

Выбор принципа проектирования зависит от размера наледи и характера ее развития, мерзлотно-гидрологических условий, рельефа местности, типа и конструкции проектируемого искусственного сооружения и технико-экономических соображений.

Свободный пропуск наледей через зону искусственного сооружения

4.12. Свободный пропуск наледей через зону искусственного сооружения применяют на водотоках с большими природными наледями, когда устранить причину образования наледи или задержать ее выше сооружения невозможно или экономически нецелесообразно. Этот принцип особенно рационален, когда по расчету отверстия на пропуск паводковых вод требуется строить мост, способный одновременно пропускать наледеобразующую воду в течение всей зимы. При этом отпадает необходимость строительства противоналедных сооружений.

При свободном пропуске наледеобразующая вода небольшими слоями свободно стекает через отверстие искусственного сооружения в низовую сторону, постепенно наращивая мощность наледного льда. Если отверстие сооружения и пойменные насыпи имеют высоту более максимального уровня наледи и запас для стока весенних вод, то никаких работ по борьбе с наледью в течение всей зимы не требуется. В этом большое преимущество данного принципа проектирования, поэтому он является предпочтительным перед другими, если это не связано со значительным удорожанием строительства.

Мосты на водотоках с наледями должны проектироваться как правило, по принципу свободного пропуска.

4.13. На водотоках с наледями высота подмостового габарита НГ должна обеспечивать свободный пропуск в течение всего зимнего периода наледеобразующих вод и весеннего паводка по поверхности наледи (рис. 18). Это условие определяется формулой

НГ=Zmax p+hB+DhC,                                                      (48)

где Zmax p - максимальная толщина наледи с заданной обеспеченностью; hB - высота, необходимая для пропуска по наледи расчетного расхода весенних вод; hC - просвет от расчетного уровня воды до низа пролетного строения, принимаемый по п. 1.23 СНиП 2.05.03-84.

4.14. Так как на водотоках с наледями русло блуждает, фундаменты всех промежуточных опор моста необходимо закладывать на одной отметке, вычисляя ее от отметки дна русла в наиболее глубоком месте русла (см. рис. 13). Глубину заложения определяют по условиям обеспечения устойчивости опоры при расчетном расходе воды с учетом возможного размыва согласно указаниям СНиП 2.05.03-84.

Рис. 13. Схема для определения подмостового габарита и глубины заложения опор моста на водотоках с наледями:

УВВ - уровень высокой воды; УНР - уровень наледи расчетный; УНИ - уровень наледи в год изысканий; УЛ - уровень ледостава

4.15. Пойменные насыпи на подходах к искусственным сооружениям целесообразно отсыпать из дренирующих грунтов. Бровка земляного полотна подходов должна возвышаться над прогнозируемым уровнем наледи расчетной обеспеченности не менее 0,5 м.

Безналедный пропуск водотоков

4.16. Безналедный пропуск водотоков применяют на постоянных водотоках и ключах, выходы которых на поверхность расположены на небольшом расстоянии от сооружения, когда безналедный пропуск осуществить технически проще и экономически выгоднее, чем другие средства борьбы с наледью. Кроме того, его применяют на объектах, эксплуатация которых в условиях наледеобразования недопустима (тоннели, переезды, близко расположенные производственные и жилые здания). Наибольший эффект безналедный пропуск водотоков дает в районах со значительным снежным покровом и со среднемесячной температурой наиболее холодного месяца до минус 25° С.

Безналедный пропуск водотоков обеспечивается путем концентрации, спрямления и утепления русла при протекании в зоне искусственного сооружения и на подходах к нему и создания оптимального режима потока в зимнее время. Для этого в зависимости от климатических и мерзлотно-гидрологических условий водотока, а также результатов теплотехнического расчета могут применяться различные средства.

4.17. На распластанных руслах из нескольких неглубоких рукавов для уменьшения ширины охлаждения водотока и улучшения его гидравлических показателей отдельные рукава и протоки следует собрать в одно концентрированное, спрямленное и углубленное русло. Часто это полностью ликвидирует образование наледей.

4.18. Для безналедного пропуска водотоков через зону искусственных сооружений могут применяться специальные водоотводные лотки, которые делают деревянными или из сборных железобетонных элементов с утеплением древесиной, пенопластом и другими теплоизоляционными материалами. Лотки могут быть открытые и закрытые. Их прокладывают через отверстие искусственного сооружения, заглубляют в русло водотока и по ним концентрированным потоком отводится наледеобразующая вода в низовую сторону сооружения без замерзания в течение всей зимы. Их целесообразно применять, когда наледеобразующий источник (например, ключ) находится на небольшом расстоянии от искусственного сооружения и четко выражен, что позволяет поток сосредоточить и пустить по узкому лотку.

Рис. 14. План расположения утепленного железобетонного лотка в зоне искусственного сооружения:

1 - водозаборник; 2 - открытый лоток: 3 - снегозадерживающие щиты; 4 - закрытый лоток; 5 - водоприемник; 6 - снег

На рис. 14 и 15 показан пример применения утепленного лотка для безналедного пропуска водотока в суровых климатических условиях. Железобетонный лоток сечением 0,40,5 м заглублен в русло водотока и закрыт крышкой из досок с прокладкой из пенопласта. У источника сделан из камня водозаборник, а в конце лотка водоприемник. С наветренной стороны в начале зимы устанавливают снегозадерживающие щиты, которые создают над лотком и руслом снежные отложения, утепляющие лоток.

4.19. Расчет безналедного пропуска водотоков заключается в определении размеров лотков и канав, их утепления и возможной длины без замерзания потока. Теплотехнический расчет может быть выполнен по формуле (49), которая позволяет определить температуру водного потока по его длине

t=M+e-s(tB-M),                                                         (49)

где tB - температура воды в лотке на расстоянии х от его начала; М и S - параметры, определяемые по формулам:

Рис. 15. Продольный профиль и детали утепленного лотка:

1 - водозаборник; 2 - открытый лоток; 3 - закрытый лоток; 4 - мост; 5 - водоприемник; 6 - снег; 7 - лед; 8 - доски толщиной 4 см; 9 - гравий с песком; 10 - грунт; 11 - пенопласт

lОЛ - длина открытого лотка; lЗЛ - длина закрытого лотка

                                             (50)

                                                   (51)

Q - расход водотока, м3/с; I - уклон лотка или канавы; tВОЗ - расчетная температура воздуха, которую принимают для открытых лотков и канав равной средней минимальной за наиболее холодный месяц; для закрытых лотков и канав - равной температуре воздушной прослойки tПР между перекрытием и водой, определяемой по формуле,

                                                          (52)

х - расстояние от начала лотка или источника до сечения, в котором определяется температура, м; tВОЗ - средняя температура воздуха за наиболее холодный месяц зимнего периода; m0 - коэффициент, определяемый по графику на рис. 16 в зависимости от толщины слоя теплоизоляции и коэффициента а температуропроводности материала перекрытия, а также времени ??, принимаемого равным 1 мес. (??=720ч); b - ширина отверстия лотка, м; b1 - смоченный периметр лотка, м; tИ – температура воды источника в начале лотка или канавы в наиболее холодный месяц зимы, С; ??М - коэффициент теплопередачи через многослойную плоскую стенку, Вт/(м2????С); R и Ф - соответственно термическое сопротивление и величина теплопотерь, определяемые по формулам:

Рис. 16. Зависимость между толщиной слоя теплоизоляции НТ и коэффициентом m0

1) для открытого лотка, углубленного в грунт,