3. Особенности учета гидрологических условий при проектировании временных и вспомогательных сооружений

3.1. Основные факторы, периоды и особенности проявления гидрологических воздействий

Одним из основных положений по инженерной оценке расчетных гидрологических условий при проектировании организации и производства строительных работ является необходимость обеспечения взаимообусловленности устройства и одновременного функционирования всех шести групп временных и вспомогательных сооружений между собой и возводимым объектом.

Наибольшие сложности, возникающие при разработке ПОС и ППР, связаны с учетом гидрологического режима водных объектов.

Особенности этого режима и его природно-техногенных изменений в период строительства в значительной степени влияют на распределение объемов строительно-монтажных работ по сезонам года, а также на выбор методов и технологий этих работ, типов и конструкций временных и вспомогательных сооружений руслового и пойменного расположений.

В ПОС и ППР должны учитываться особенности гидрологических условий, определяемые не только разновидностями внутригодового гидрологического режима водных объектов, но и возможным влиянием временных и вспомогательных сооружений в местах их расположения на изменения гидрологических условий и их расчетных характеристик.

По предназначению, условиям функционирования и выбору местоположения временные и вспомогательные сооружения имеют подчиненное значение относительно планово-высотных, конструктивных и других особенностей возводимых объектов.

Такая подчиненность этих сооружений, а также необходимость их размещения в сложных и стесненных условиях пересечения речных долин, в подмостовых створах, у береговых линий, на островах и в других случаях приближения к строящимся объектам нередко предопределяют возможность проявления специфических факторов и особенностей гидрологических воздействий в строительном периоде.

Анализ опыта строительства ряда мостов и особенностей пространственно-временного проявления опасных гидрометеорологических явлений и процессов последних лет показывает, что для устройства и надежного функционирования временных и вспомогательных сооружений всех шести групп все разновидности гидрологических

факторов и воздействий должны выявляться и оцениваться применительно к четырем климатическим периодам (летнему, осеннему, зимнему и весеннему), периодам паводка, судоходства, лесосплава и попускам воды из гидросооружений, а также применительно к

периодам следующих трех этапов строительства объекта:

до стеснения речной долины подходами к мосту;

после возведения этих подходов;

в процессе дополнительного стеснения подмостового русла построенными и строящимися опорами мостов, временными и вспомогательными сооружениями различного предназначения.

Таким образом, учету подлежат три основные особенности формирования гидрологического режима водных объектов и гидрологических воздействий на временные и вспомогательные сооружения: природные, природно-техногенные и техногенные (вызванные стеснением речных долин в период строительства).

Для проектирования временных и вспомогательных сооружений особо важное значение имеют необходимость учета возможности проявления в период строительства гидрометеорологических факторов и воздействий нормативной и более редкой вероятности превышения, а также частота и длительность этих проявлений в период строительства основного объекта.

Различная продолжительность строительства этих объектов предопределяет необходимость учета этих и других рассмотренных выше особенностей формирования и проявления гидрологического режима, факторов и воздействий не только в четырех климатических сезонах одного внутригодового периода, но и в нескольких годовых периодах.

При этом следует учитывать, что проектная и фактическая продолжительность строительства могут по ряду причин весьма значительно различаться.

Анализ ряда построенных мостов показывает, что продолжительность их строительства может изменяться от 2,5 до 9 и более лет, что определяется различной сложностью и спецификой их строительства.

Так, продолжительность строительства моста через р. Упу длиной 201 м составила 2,5 года, моста через р. Оку в г. Калуге - 3 года, Ново-Арбатского моста в г. Москве длиной 253 м - 4 года, моста через р. Волгу у г. Казани длиной 1526 м - 6 лет, первого пускового комплекса Амурского моста в г. Хабаровске длиной 2,7 км - 7 лет, моста через р. Годовари (Индия) длиной 3,2 км - 9 лет, первой очереди моста через р. Каму у с. Сорочьи Горы - 9 лет, строительство моста через р. Волгу у г. Ульяновска длится уже более 20 лет (1986-2007 гг.).

Практика последних лет характеризуется усложнением работ по разработке ПОС и ППР, что обусловлено строительством мостов в сложных условиях:

на акваториях водохранилищ и проливов;

при пересечении особо крупных рек со значительными глубинами воды, продольными течениями и волновыми воздействиями; в районах вечной мерзлоты с часто повторяющимися заторно-подпорными и опасными наледно-термическими явлениями;

в крупных городах с совмещенным движением нескольких видов наземного транспорта.

Весьма сложные условия формирования гидрологического режима водных объектов и значительная фактическая продолжительность строительства мостов предопределяют необходимость осуществлять в процессе строительства учет всех отмеченных выше

особенностей проявления гидрологических факторов и воздействий и производить своевременную корректировку расчетных гидрологических характеристик и условий строительства на основе проведения систематических наблюдений за уровнями и глубинами воды, расходами и скоростями течения воды и другими составляющими внутригодового гидрологического режима водных объектов.

Одной из основных отличительных особенностей условий возведения и функционирования временных и вспомогательных сооружений является их большая потенциально-возможная подверженность воздействию гидрологических факторов во внутригодовых и годовых периодах строительства по сравнению с условиями эксплуатации основных дорожно-мостовых сооружений.

Сравнительно небольшой срок службы этих сооружений не гарантирует их устойчивость от опасного проявления гидрологических факторов и воздействий.

К числу таких факторов и воздействий относятся, прежде всего, паводочный сток внутригодового периода, ветровые и волновые явления, русловые и эрозионные процессы, селевые потоки, приливно-отливные и сгонно-нагонные явления, ледово-термические и наледно-мерзлотные процессы, подпорно-заторные и другие явления природно-техногенного происхождения.

Под воздействием этих факторов временные и вспомогательные сооружения способны и сами оказывать разрушающие воздействия на окружающую среду, друг на друга, а также на возводимые и существующие капитальные сооружения.

Разработка и принятие оптимальных проектно-строительных решений и мероприятий по защите временных и вспомогательных сооружений обусловлены практической необходимостью тщательного и целенаправленного изучения и инженерной расчетно-прогнозной оценки условий формирования и проявления всех разновидностей

опасных гидрометеорологических процессов и явлений многофакторного и однофакторного проявления в каждом конкретном районе строительства.

Речной сток может формироваться от дождевых атмосферных осадков, таяния снегов и ледников, а также иметь смешанное происхождение. Он может иметь постоянное или периодическое внутригодовое проявление и характеризуется паводочными и внепаводочными (меженными) периодами формирования жидкой и твердой составляющих речных потоков.

Результирующие проявления речного стока зависят от многих факторов его формирования и регулирования поверхностного стока на водосборном бассейне и проявляются неравномерно и индивидуально из года в год.

Характер и особенности внутригодового распределения речного стока являются одними из основных факторов определения длительности строительного сезона, организации и способов ведения строительных работ, условий функционирования временных и вспомогательных сооружений, выбора их типов и конструкций и других защитных и природоохранных мероприятий, необходимых для строительства и эксплуатации этих сооружений.

Дождевые, снеговые и смешанные паводки различны не только по своему генезису, но и по условиям проявления во внутригодовом и многолетнем периодах. Они обладают специфическими особенностями в различных регионах и способны оказывать различное влияние на организацию и технологию возведения временных и вспомогательных сооружений и их защиту.

Так, дождевые паводки могут быть внезапными, кратковременными, часто повторяющимися даже в течение одного летнего сезона. Они способны вызвать непредвиденные воздействия ударно-набегающего характера, затопить котлованы, карьеры и находящуюся в них технику и вызвать ряд других специфических последствий.

Снеговые и смешанные паводки более предсказуемы и обладают более длительными процессами затопления, чем ливневые.

Речной сток паводочного периода вызывает подтопление и затопление русловых участков, пойм и прилегающих к ним территорий, населенных пунктов и других объектов; русловые деформации; карчеход, ледоход, заторно-подпорные явления; твердый сток; местные искривления водной поверхности; образование и прорывы заторных преград (плотин) и другие процессы природно-антропогенного характера.

Полному или частичному паводочному затоплению могут быть подвержены участки временных дорог, временные водопропускные, отсечные, укрепительные, защитные и другие сооружения как пересекающие водоток, так и расположенные вдоль него.

В зависимости от расположения этих дорог относительно водных объектов подтопление может быть односторонним и двусторонним, краткосрочным или длительным, периодическим или постоянным, а также сочетать эти условия.

Влияние подтопления на устойчивость временных сооружений обусловлено уровнями воды и их колебаниями, шириной разлива и глубинами, длительностью и частотой затопления, расположением относительно водотока и водораздельных пространств, возможностью фильтрации воды через сооружение и его переувлажнением. Дополнительно на устойчивость временных сооружений могут влиять скорости течения воды вдоль сооружений, волны попусков из водохранилищ, подпорные, зажорные, заторные, сгонно-нагонные и другие процессы.

Русловые деформации паводочного периода способны вызывать изменение планово-высотного положения русл и пойменных массивов, искривление и спрямление меандр, перемещение максимальных глубин и русловых отложений, подмыв берегов и способствуют поступлению карчей в русло.

В результате русловых процессов может происходить образование и перемещение твердого стока, размыв подмостовых русл и откосных, береговых и других сооружений, образование молодых русл и других процессов.

Ледоход и карчеход способны оказывать различные и весьма значительные разрушающие воздействия на временные и вспомогательные сооружения.

Лед оказывает давление ледяного поля при первой подвижке. Он способен вызвать статическое давление при термическом расширении льда, а также усилие, передаваемое конструкциям примерзшим к ним льдом, и другие воздействия.

Так, подвижка ледяного поля способна весьма неблагоприятно сказываться на устойчивости и прочности временных опор и различных видов укреплений. Удары отдельных льдин вызывают повреждения укреплений, венцов ряжевых опор и верха свай. Плывущие льдины оказывают истирающее действие на конструкции, расположенные в зоне их действия.

Внепаводочный период характеризуется:

колебаниями уровней меженных вод;

осенним ледоходом;

условиями образования ледяного покрова;

наледно-мерзлотными явлениями;

особенностями хозяйственного использования реки в этот период (забор воды и грунта для различных нужд и т.д.) и другими процессами.

Карьерные разработки в руслах рек способны изменять гидрологический и русловый режимы рек. Они могут вызвать попятный размыв, который способен оказать разрушающее воздействие на расположенные выше по течению сооружения, а также понизить уровень воды, что приводит к обмелению водозаборных устройств, перекатов, ухудшению условий судоходства и нежелательным экологическим и другим последствиям.

Волновые и сгонно-нагонные явления возникают от воздействия ветра и штормов на водные объекты [24]. Они способны вызывать перекосы водной поверхности, ударные, затопляющие, размывающие и другие воздействия. Влияние этих явлений и воздействий обусловлено периодом проявления, условиями образования, направлением, длительностью и силой ветра, высотой волны и ее накатом на откосные и вертикальные препятствия и другими факторами.

В результате волнового воздействия может возникнуть наклон, осадка и перекос руслового сооружения, а также его разрушение и затопление.

Подмыв сооружения с внешней стороны в результате отхода волны вызывает наклон конструкции (причальные сооружения).

Возможен размыв у тыловой стороны сооружения, хотя он наблюдается реже и меньшей величины.

В качестве примера таких воздействий известен случай, когда при строительстве моста через реку Каму у с. Сорочьи Горы при совместном сочетании ветровых и волновых воздействий был перевернут понтон с 16-тонным краном.

Весьма тяжелые волновые воздействия испытывала платформа мостового крана ПМК с установленной на ней буровой установкой, допускающей восприятие волн высотой до 3 м.

Волновые явления могут вызывать нарушение местной и общей устойчивости откосов. Они повышают зону воздействия на откосы и могут вызывать размывы у основания сооружений, а также высасывание грунта из-под укрепления и деформацию всего откоса.

В конструкциях шпунтовых ограждений часто наблюдается высасывание грунта в результате волнового воздействия (если между шпунтинами имеются зазоры), что приводит к оседанию засыпки и разрушению.

Головные и корневые части временных и вспомогательных сооружений также способны подвергаться сильным волновым воздействиям ветровых и судовых волн разных направлений. Так, корневые части, располагаясь в наиболее опасной зоне разбитых волн, подвергаются подмыву и ударно-истирающим воздействиям перемещаемых по дну донных наносов. Такие повреждения могут возникать и в конструкциях временных свайных оснований или тонкостенных оболочек, если срок их службы превышает 2-3 года.

Одними из основных причин возникновения ряда аварийных ситуаций являются недостаточный учет факторов гидрологических воздействий, несоблюдение правил производства работ, требований по устройству и эксплуатации временного (вспомогательного) сооружения.

Нарушение или изменение способа производства работ, предусмотренного рабочим проектом, без должного комплексного гидрологического обоснования также нередко приводит к повреждениям этих сооружений. Примером таких деформаций может служить потеря общей устойчивости временного сооружения при недостаточном заглублении несущих элементов основания, возведении временных опор без учета дноуглубительных работ и в ряде других случаев.

Рассмотренные выше явления и процессы разнообразны по своему происхождению, многофакторны и не исключают проявления других факторов и воздействий. Они обуславливают исходные предпосылки для своевременной оценки их влияния на временные (вспомогательные) сооружения. Расположение этих сооружений, их компоновочные и проектно-строительные решения должны осуществляться на основе вариантных проработок, исходя из комплексного учета факторов гидрологических воздействий и технико-экономического анализа по выбору наиболее оптимального варианта их устройства.

Применительно к сооружениям временного функционирования исследования по изучению факторов и особенностей гидрологических воздействий ранее не проводились и долгое время не были обобщены.

Результаты анализа рассмотренных выше факторов гидрологических воздействий на временные сооружения были впервые в наиболее полной форме проанализированы и отражены автором в работе [102].

Волновые и ледово-термические процессы и сооружения по их защите были рассмотрены автором в работах [103, 106].