R=1/??1; Ф=aMb1tГ, (53)
2) для закрытого лотка, углубленного в грунт и имеющего перекрытие,
R=1/??2; Ф=Mb1tГ. (54)
Коэффициент aM теплопередачи через многослойную стенку определяют из уравнения:
(55)
В формулах (53)-(55):
aM - коэффициент теплоотдачи от воды в воздух, при малых скоростях воздушного и водного потоков приближенно равный 30-40 Вт/(м2??C); tГ - температура грунта в естественных условиях в наиболее холодный месяц на глубине заложения лотка; 2 - коэффициент теплоотдачи от воды к воздушной прослойке между перекрытием и водой, равный 30-40 Вт/(м2????C); СТ - толщина стенки, м; 3 - коэффициент теплоотдачи от воды к стенке лотка, зависящий от скорости течения в лотке и числа Рейнольдса, ориентировочно равный 4-5 Вт/(м2????C); 4 - коэффициент теплоотдачи от стенки лотка в грунт (3-5 Вт/(м2??C); СТ - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м2????C)
Формулы (49)-(55) позволяют при известных гидравлических и тепловых характеристиках потока и заданной конструкции лотка определить его длину, при которой возможен безналедный пропуск, или при заданной длине лотка обосновать его конструкцию и утепление.
В прил. 8 приведен пример расчета безналедного пропуска водотока с применением закрытого утепленного лотка.
Задержание наледей выше искусственных сооружений
4.20. Задержание наледей выше искусственных сооружений применяют на водотоках с небольшими расходами наледеобразующей воды; когда посредством заграждений можно аккумулировать весь объем наледного льда, который образуется за зиму, или его большую часть. Это особенно целесообразно в районах с малым снежным покровом и низкой среднемесячной температурой воздуха наиболее холодного месяца.
При этом методе наледеобразующий поток задерживается выше сооружения на безопасном расстоянии, и наледь формируется выше заграждения. Если наледеобразующая вода изливается на поверхность непосредственно у сооружения вследствие стеснения грунтового потока фундамента, тогда устраивают мерзлотные пояса и наледный процесс искусственно возбуждается выше сооружения на безопасном расстоянии.
Для задержания наледей выше сооружений в зависимости от конкретных условий применяют различные противоналедные сооружения и устройства.
4.21. Грунтовые валы (табл. 5, п. 1) применяют как постоянные противоналедные сооружения для задержания наледей различных размеров, а также для направленного регулирования стока наледеобразующей воды. Их следует возводить из слабодренирующих грунтов с предварительным удалением растительного слоя в основании и послойным уплотнением отсыпаемого грунта.
При отсутствии слабодренирующих грунтов валы можно возводить из гравийно-песчаных грунтов. Во избежание интенсивной фильтрации через вал наледеобразующей воды в его теле необходимо устраивать противофильтрационную диафрагму.
Для диафрагм можно применять стабилизированную полиэтиленовую пленку толщиной 0,2-0,4 мм. Морозостойкость такой пленки составляет -70°C, а прочность на разрыв 12 МПа. Пленку следует укладывать без натяжения с волнистостью.
4.22. Над руслом водотока в грунтовом теле следует оставлять проем длиной не менее отверстия искусственного сооружения для пропуска весенних и ливневых вод. На зимний период проем закрывают сборно-разборным забором или щитами.
Откосы валов с верховой стороны необходимо укреплять посевом трав или каменной наброской. Особенно хорошо должны быть укреплены конуса вала в проеме, где они часто подвергаются размывам весенними и летними паводками. Тип крепления для них выбирают в зависимости от скорости течения воды.
4.23. Высоту грунтовых валов следует назначать не менее 0,5 м выше прогнозируемой мощности наледи. Высота грунтового вала более 2,5-3,0 м нерациональна. Лучше применять другой тип задерживающих устройств. Длина вала должна полностью перекрывать наледный лог на уровне 0,5 м выше прогнозируемой наледи.
В зависимости от способа производства работ и рода грунтов ширину вала поверху назначают 1,0-3,0 м, а заложение откосов - 1:1,5.
4.24. Вместо грунтовых валов для задержания наледей можно применять противоналедные заборы. Они могут быть деревянные и железобетонные. Деревянные заборы следует строить, когда их необходимо разбирать для пропуска весенне-летних паводков.
Заборы могут перекрывать всю ширину лога или проем между грунтовыми валами. Их возводят на сваях или столбах. Заполнение может быть из обрезных досок табл. 5, п. 2, а), досок со стабилизированной пленкой (табл. 5, п. 2, б), досок или рам с рубероидом (табл. 5, п. 2, в). Полиэтиленовую пленку прикрепляют к доскам с верховой стороны водотока. При этом между досками делают щели по 20-30 см, которые закрывают пленкой.
Вместо пленки забор из реек можно обшивать рубероидом. При необходимости разборки весной заполнение целесообразно делать из рам, обшитых рубероидом.
Когда режим наледи хорошо изучен, заборы целесообразно делать постоянными на железобетонных сваях с заполнением сборными железобетонными плитами толщиной 8-10 см. Такие заборы должны перекрывать всю ширину лога. Над руслом в них устраивают проем с заполнением из рам, обшитых рубероидом или другим водонепроницаемым материалом. Сваи или столбы устанавливают на расстоянии 2-3 м. Высота стенки забора должна быть не менее 0,5 м выше прогнозируемого уровня наледи.
Когда часть наледеобразующей воды необходимо пропускать через отверстие искусственного сооружения, между низом стенки забора и поверхностью земли или ледостава оставляют просвет, равный толщине наледи, которую можно допустить в отверстии искусственного сооружения.
На рис. 17 показан грунтовый вал и забор для задержания наледи выше трубы.
4.25. Противоналедные валы и заборы хорошо задерживают натекающие наледи, когда наледеобразующая вода изливается на поверхность выше ограждений. Если наледеобразующая вода изливается на поверхность ниже вала или забора, то валы и заборы задержать наледь не могут. В этом случае следует искусственно вызвать наледный процесс выше заграждений.
Рис. 17. Схема противоналедного вала и забора для задержания наледи выше трубы:
1 - место выхода наледеобразующей воды; 2 - тело наледи; 3 – противоналедный грунтовый вал; 4 – противоналедный забор; 5 - сваи; 6 - доски; 7 - укрепление откосов вала
Для этого применяют мерзлотные пояса, которые перехватывают поток грунтовых или поверхностных вод и выводят их на поверхность в месте, удаленном от искусственного сооружения. В результате место формирования наледи смещается вверх по водотоку, а зона искусственного сооружения оказывается без наледи.
4.26. Постоянные мерзлотные пояса могут быть грунтовые и с охлаждающими установками.
Грунтовый мерзлотный пояс (табл. 5, п. 5, в) представляет собой канаву шириной 1-3 м. Глубину канавы назначают с расчетом, чтобы под ее дном глубина сезонного промерзания достигала водоупора и на пути грунтовых вод образовалась мерзлотная перемычка. С низовой стороны канавы делают заградительный вал, а с верховой расчищенную от снега полосу шириной 5 м.
Грунтовые мерзлотные пояса как постоянные сооружения можно устраивать для перехвата грунтовых вод и вывода их на поверхность в удалении от земляного полотна подходов при глубине залегания водоупора не более 2,5-3,0 м. При этом наиболее целесообразно их применять при небольшом дебите грунтовых вод, когда водоупором являются скальные или глинистые породы.
4.27. На водотоках, протекающих в узких долинах, при низкой зимней температуре мерзлотные пояса целесообразно устраивать с охлаждающими установками. Охлаждающие установки состоят из металлических труб разных диаметров, соединенных в замкнутую систему (рис. 18). Нижняя часть установки находится в фильтрационном слое грунта, который требуется заморозить. В надземной части установки в трубе меньшего диаметра охлаждение керосина происходит быстрее, чем в трубе большего диаметра, поэтому происходит его циркуляция. Температура охлажденного керосина передастся грунту, и вокруг труб постепенно образуется цилиндр мерзлого грунта. Располагая установки на определенном расстоянии по линии мерзлотного пояса, из цилиндров замороженного груша создается мерзлотная перемычка на пути речных и грунтовых вод (см. рис. 18).
Рис. 18. Схема применения охлаждающих установок для образования мерзлотного пояса при задержании наледи выше трубы:
а - без противоналедного забора; б - с противоналедным забором
1 - охлаждающие установки; 2 - наледь; 3 - водопропускная труба; 4 - водоносный грунт; 5 - водоупор; 6 - граница сезонного промерзания; 7 - мерзлотная перемычка; 8 - противоналедный забор
4.28. Мерзлотные пояса с охлаждающими установками в сравнении с грунтовыми имеют существенные преимущества. Они не создают условий для деградации многолетней мерзлоты и обеспечивают в течение многих лет создание зимой надежной мерзлотной перемычки. Такие пояса экономичны при эксплуатации.
Если мерзлотный пояс с охлаждающими установками располагается от искусственного сооружения на расстоянии, большем длины растекания наледеобразующей воды, то для задержания наледи забор ставить не надо (см. рис. 18, а). При расстоянии мерзлотного пояса от сооружения меньше длины растекания для задержания наледи устанавливают забор (см. рис. 18, б).
4.29. Мерзлотные пояса с охлаждающими установками следует применять только в случаях, когда надо отдалить от сооружения место выхода наледеобразующей воды на поверхность. Если излив происходит далеко, устраивать мерзлотный пояс на участке между началом образования наледи и сооружением не нужно.
В прил. 9 приведены конструкция двухтрубной охлаждающей установки и ее расчет.
5. ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ И ПРОТИВОНАЛЕДНЫХ УСТРОЙСТВ
5.1. Опыт строительства искусственных сооружений в районах распространения наледей показывает, что нарушение при строительстве естественных мерзлотно-гидрогеологических условий водотоков всегда приводит к активизации наледных процессов. После производства строительных работ на водотоках активизируются не только природные наледи, но часто наледи образуются там, где их никогда не было.
В связи с этим производство строительных работ на водотоках с наледями должно быть организовано так, чтобы оно как можно меньше нарушало естественные мерзлотно-гидрогеологические условия водотока и режим протекания поверхностных и грунтовых вод. В полосе перехода через водоток и вблизи от нее нельзя удалять растительность, мохово-растительный покров, допускать движение по растительному слою тракторов, автомобилей и других тяжелых машин, следует избегать устройства котлованов и противофильтрационных экранов у труб. Особенно это имеет большое значение при постройке малых мостов и труб.
5.2. При слабых и заторфованных грунтах, а также при многолетнемерзлых грунтах в основании, на строительной площадке для работы кранов на временных подъездах следует укладывать инвентарные железобетонные плиты, которые предохраняют растительный покров. Временные сооружения и бетоносмесительные узлы размещают не ближе 100 м от перехода и возводят на отсыпках из крупноскелетных грунтов.
Объезды устраивают за пределами дорожной полосы на расстоянии не менее 100 м, как правило, с низовой стороны, обставляя их указательными вехами и дорожными знаками.
5.3. При пересечении водотоков земляное полотно дороги на поймах и в логах возводят из дренирующих грунтов с сохранением мохово-растительного покрова в основании. Нижние слои насыпей на высоту 0,5 м отсыпают по способу «от себя», а последующие - продольным способом.
Работы по строительству искусственных сооружений при устойчивых грунтах производят как зимой, так и летом. При наличии в основании многолетнемерзлых и слабых грунтов строительные работы на мостовом переходе следует производить, как правило, зимой, начиная их после промерзания грунта на глубину не менее 0,3 м.
5.4. Сваи опор мостов погружают забивкой или вибропогружателями, если грунты не содержат валунов и гальки.
В гравийно-галечниковые грунты с содержанием валунов, а также в мерзлые грунты сваи и столбы погружают с применением лидерного бурения. Пробуренные до проектной отметки скважины должны быть тщательно очищены от шлама. После этого в пробуренную скважину заливают цементо-песчаный раствор на высоту 2 м и опускают столб или сваю. Затем инвентарную обсадную трубу из скважины извлекают.
На малых и средних водотоках с наледями сооружение массивных фундаментов в открытых котлованах не допускается.
Ригели опор и пролетные строения должны возводиться, как правило, из сборных элементов заводского изготовления с расчетом, чтобы объем работ на строительной площадке был минимальным.
5.5. Работы по постройке труб на водотоках с наледями можно производить как летом, так и зимой. Зимний период целесообразно использовать для доставки на строительную площадку сборных элементов и устройства фундаментов при многолетнемерзлых грунтах в основании, а также для постройки труб на заболоченных местах.
Предусмотренную по проекту теплоизоляционную подушку необходимо укладывать на очищенное от разрыхленного грунта и выровненное дно котлована. Для этого используют подсыпку толщиной до 5 см из мелкого щебня, втрамбованного в грунт дна котлована.
После монтажа сборных железобетонных труб заделку стыков и швов желательно производить при положительной температуре воздуха. При отрицательной температуре воздуха эти работы выполняют, соблюдая предусмотренный проектом состав раствора и температурный режим в периоды укладки и твердения.
При постройке круглых железобетонных труб гравийно-песчаные подушки устраивают в два этапа. Вначале отсыпают нижнюю часть подушки до уровня лотка трубы, придавая ее поверхности вдоль трубы очертание строительного подъема. Гравийно-песчаную смесь разравнивают и уплотняют. После этого укладывают трубу, а затем досыпают верхнюю часть подушки. Подбивку грунта необходимо производить с расчетом, чтобы центральный угол опирания конструкции был не менее 120°, а грунт подушки уплотнен до 0,95 максимальной стандартной плотности.
