Мощность ледяного покрова

Вид зависимости	Характеристика водотока
	Средние и большие реки со скоростью течения до 1 м/с
	Средние и большие реки со скоростью течения более 1 м/с
	Средние и большие реки при наличии снегового покрова более 10 см

Таблица 2.4

Количество тепла, поступающего в водоток из грунта

Вид водотока	Площадь бассейна, км2	Положение мерзлоты под водотоком
Ручьи	Менее 10	Мерзлота сохраняется	0 – 1
Малые реки	10 – 100	Псевдоталик	1 – 3
Средние и большие реки	100 – 1000	Псевдоталик или сквозной талик	3 – 5

Таблица 2.5

Коэффициент, учитывающий долю зимнего расхода водотока

Расход водотока в зимний период, м3/ч
100 – 200	0,06 – 0,04
500	0,02
1000	0,017
1000 – 1500	0,014
1500 – 2000	0,011
2000 – 5000	0,009
5000 – 10000	0,008

Для наледей подземных вод:

● при образовании природных грунтовых наледей

; (2.24)

● при образовании вынужденных грунтовых наледей

; (2.25)

● при образовании природных ключевых наледей

, (2.26)

где – коэффициент фильтрации пород;– гидравлический уклон зеркала подземных вод;,– коэффициент теплопроводности мерзлых пород;– разность средней температуры воздуха за зимний период и температуры промерзания пород;– количество скрытой теплоты плавления льда в единице объема пород;– разность средних площадей живого сечения грунтового потока в бытовых условиях и у искусственного сооружения, определяемая с учетом экранизирующего и охлаждающего эффекта фундаментов;– средняя ширина подруслового потока в логе;– расход стока ключа (ручья) или русловой воды в начале мерзлого периода (октябрь – февраль);– коэффициент, определяемый для крупнообломочных грунтов, слагающих наледный участок= 0,004÷0,012 1/ч; дресвяных –= 0,012÷0,02; песчаных –= 0,02÷0,024;– доля стока ключа (ручья), участвующего в формировании наледи,= 0,05÷0,10;– продолжительность периода формирования наледи в час. Продолжительность периода формирования наледиразличного вида устанавливают в зависимости от условий образования и режимов развития, как правило, принимают не более средней продолжительности периода отрицательных температур воздуха.

Для наледей смешанных вод:

при полном перемерзании живого сечения поверхностного водотока

. (2.27)

Максимальную мощность наледи различного вида определяют следующим образом.

Для естественных и вынужденных наледей при отсутствии преград, способствующих их аккумуляции:

● при треугольном очертании поперечного сечения наледного полигона максимальную мощность наледи определяют как

; (2.28)

● при широком треугольном очертании поперечного сечения наледного участка с крутыми склонами максимальную мощность наледи определяют как

, (2.29)

где – средний продольный уклон главного русла;– уклон правого склона;– уклон левого склона;– ширина главного русла (лога) понизу.

Для естественных, вынужденных и искусственных наледей при наличии специальных преград (грунтовые и снежно-ледяные валы, сплошные заборы), полностью аккумулирующих наледей:

при образовании естественных и вынужденных наледей, формирующихся у искусственных сооружений максимальную мощность наледи определяют как

, (2.30)

где – коэффициент, зависящий от конфигурации лога, принимаемый:

● для треугольных и узких трапецеидальных поперечных сечений лога

; (2.31)

● для широких трапецеидальных поперечных сечений лога

, (2.32)

–коэффициент, учитывающий наледепропускную аккумулирующую способность искусственного сооружения, определяемый по формуле

, (2.33)

где – отверстие искусственного сооружения;– ширина наледи поверху, принимаемая

; (2.34)

–коэффициент, учитывающий уменьшение отверстия в пределах искусственного сооружения за счет ледяных перемычек, принимаемый для малых и средних мостов = 0,85÷0,9, эстакадных мостов= 0,95; водопропускных труб= 0,8;– показатель степени, принимаемый для треугольных и узких трапецеидальных логов= 1, для широких трапецеидальных логов= 1,5.

Среднюю по полигону мощность наледи различного вида можно устанавливать из соотношениянезависимо от условия ее накопления.

Полную длину наледи , а также протяженность наледного тела, формирующегося перед искусственным сооружением, определяют:

● для естественных, искусственных и вынужденных наледей, полностью аккумулируемых системой специальных средств

; (2.35)

● для естественных и вынужденных наледей при формировании перед искусственными сооружениями

, (2.36)

где – максимальная мощность наледи в рассматриваемом случае формирования.

Площадь наледи определяют приближенно по условию

. (2.37)

2.6.3. Способы предотвращения влияния наледей

При проектировании малых мостов в условиях северной строительно-климатической зоны предусматривают не только пропуск расчетных и наибольших расходов воды, но обеспечивают нормальные условия эксплуатации их в зимний период.

При проектировании мостов используют три способа предотвращения влияния наледей: свободный пропуск наледи; безналедный пропуск водотоков и задержание наледи выше сооружений.

Выбор способа проектирования осуществляют в зависимости от размера и характера развития наледи, мерзлотно-гидрогеологических условий, рельефа местности, технико-экономического обоснования.

Свободный пропуск наледи применяют а водотоках, образующих постоянно изливающиеся наледи в бытовых условиях в течение всей зимы. В большинстве случаев это водотоки с широкими, плохо организованными галечниковыми руслами [21].

При свободном пропуске наледи мосты должны отвечать одному из следующих условий [21]: не усиливать наледный процесс, а наледи, образующиеся в бытовых условиях, свободно пропускать в низовую сторону; в случае частичного удержания наледи у сооружения, необходимо обеспечить нормальные условия для пропуска весенних расчетных расходов.

При свободном пропуске наледи рекомендуют применять свайно-эстакадные мосты увеличенных отверстий (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Свайно-эстакадный мост: 1 – пролетное строение; 2 – свая; 3 – сборный ригель; 4 – опорная часть

В тех случаях, когда пропуск постоянных водотоков осуществляют без нарушений бытовых условий, отверстия мостов определяют с учетом частичного заполнения их наледным льдом. При этом заполнение отверстий наледным льдом принимают равным наледи в бытовых условиях. При крутых логах (> 0,03) величину отверстия моста принимают не менее ширины наледи в логу.

При свободном пропуске наледи отверстие моста определяют с учетом пропуска паводковых вод и наледеобразующей воды по поверхности наледного льда [12]. Рекомендуют выполнять условие, при котором отверстие моста м, где– мощность наледи. Как правило, длину пролетных строений принимаютм. Проверку отверстия моста с учетом образования наледи допускается производить по формуле

, (2.38)

где – ширина наледи на уровне верха;– коэффициент, учитывающий происхождение наледи (= 0,5÷1,0);– часть отверстия моста, в которой наледь аккумулируется с верховой стороны (= 1÷ 3 м).

Высоту подмостового габарита проектируют с учетом обеспечения свободного пропуска в течение всего зимнего периода наледеобразующих вод и весеннего паводка по поверхности наледи [12]:

, (2.39)

где – высота под мостом от средней отметки дна лога до низа конструкции;– наибольшая расчетная мощность наледи;– высота пропуска по наледи расчетного расхода весенних вод;– свободное пространство под мостом, определяемое по [6] (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Схема для определения габарита под мостом с учетом образования наледи: НК – отметка низа конструкции пролетного строения; УВВ – отметка уровня высоких вод; УН – отметка уровня наледи

Рекомендуется при этом подходную насыпь в зоне моста отсыпать из дренирующего грунта и укреплять конусы бетонными или железобетонными плитами.

К числу рациональных типов опор мостов на водотоках с наледями относятся опоры безростверкового типа на столбах.

Свободный пропуск наледи через зону моста проектируют при условии, если задержание ее выше сооружения является экономически нецелесообразным или не представляется возможным.

Конструкция малых мостов и противоналедных сооружений определяется преимущественно местными климатическими, геологическими, гидрогеологическими и мерзлотными условиями. Рекомендуется максимально использовать сборные конструкции, сооружаемые с наименьшими нарушениями температурного режима грунтов основания и водно-теплового режима малых водотоков.

При заполнении пазух котлованов необходимо исключать возможность попадания воды к грунтам основания, особенно когда последние находятся в мерзлом состоянии, а после оттаивания приобретают свойства слабых, малоустойчивых грунтов. Для предотвращения попадания воды к грунтам основания через засыпку пазух котлованов, как правило, устраивают глиняный водонепроницаемый экран.

Привязку сооружений к местным условиям производят, не нарушая бытового режима протекания водотоков.

Безналедный пропуск водотока рекомендуется применять: на постоянных водотоках и ключах, на которых в бытовых условиях наледи вообще не образуются или наблюдаются на отдельных участках незначительные наледи; на водотоках, на которых наледи образуются в бытовых условиях, но при близком относительно сооружения выходе источников и крутом уклоне логов; на постоянных водотоках и ключах, на которых в бытовых условиях наледи образуются, но водоток не промерзает полностью, и если удержание наледей представляет большие трудности (требуется три и более земляных удерживающих вала), безналедный пропуск применяют в комбинации с другими противоналедными средствами; в узких крутых( 0,03) обводненных логах [21].

Безналедный пропуск водотока обеспечивают с применением концентрации, спрямления и утепления русла в зоне моста и на подходах. Принцип безналедного пропуска водотоков применяют в районах со значительным снежным покровом и среднемесячной температурой наиболее холодного месяца минус 25 ⁰С и выше.

Необходимая степень концентрации водотока, при которой не будет происходить образование наледи у сооружения, зависит от климатических условий района: температуры наружного воздуха, величины снежного покрова, а также характеристики самого водотока (расход воды, уклон водотока, температура воды) [21].

Для обеспечения безналедного пропуска водотока применяют следующие противоналедные мероприятия и устройства: утепление русла под мостом для предотвращения глубокого промерзания и возникновения мерзлотной перемычки; специальные водоотводные сборные железобетонные лотки с утеплением пенопластом или другими теплоизоляционными материалами (рис. 2.15, 2.16) [7,12].

Для отвода ключевых и неглубоко залегающих грунтовых вод, осушения местности находят применение различные водоотводные канавы (рис. 2.17) [12].

Расчет безналедного пропуска водотока сводится к определению геометрических параметров лотков, канав, утеплителей с учетом незамерзания водных потоков с применением теплотехнических расчетов [12].

Рис. 2.15. Утепление русла устройством железобетонного лотка: а – план расположения лотка в зоне моста; б – конструкция утепленного лотка; 1 – пролетное строение; 2 – сборный железобетонный утепленный лоток; 3 – водозаборник; 4 – водоприемник; 5 – снегозадерживающие щиты; 7 – доски; 8 – пенопласт; 9 – грунт; 10 – снег; 11 – гравий с песком

Рис. 2.16. Утепление русла под мостом: а – утепление снегом; б – утепление теплоизолирующим покрытием; РУВ – расчетный уровень воды; 1– промежуточная опора; 2 – снег; 3 – щиты 4 – теплоизолирующее покрытие (полиэтиленовая пленка, хворост и др.)

Задержание наледи выше искусственного сооружения целесообразно осуществлять на водотоках с малыми расходами (образующими наледи в бытовых условиях) и при наличии пологих и широких логов, позволяющих производить накопление льда одним или двумя земляными валами до 8000–10000 м³ на 1 л/с зимнего расхода водотока [21].

Особенно эффективен этот способ в районах с малым снежным покровом, где большинство малых водотоков полностью промерзает в бытовых условиях в первую половину зимы [21].

Рис. 2.17. Схема укрепленной канавы для отвода ключевой воды: 1 – снег; 2,3 –деревянная поперечина с гидроизоляцией; 4 – утепленная водоотводная канава

Задержание наледей выше мостов применяют, как правило, с малыми расходами наледеобразующей воды, при широких и пологих логах, в районах с малым снежным покровом, а также при среднемесячной температуре наиболее холодного месяца минус 25 ⁰С и ниже. При этом методе наледный процесс искусственно концентрируют выше моста на безопасном расстоянии.

В качестве противоналедных устройств находят применение:

• противоналедные валы – снежно-ледяные и грунтовые (рис. 2.18, 2.19).

Снежно-ледяные противоналедные валы применяют как временное устройство, а грунтовые – постоянные противоналедные сооружения.

Рис. 2.18. Схема снежно-ледяного противоналедного вала: 1 – наледь; 2 – плотный снег, облитый водой

Рис. 2.19. Схема грунтового противоналедного вала: 1 – наледь; 2 – грунтовый вал; 3 – укрепление откоса (противофильтрационная диафрагма при отсыпке дренирующим грунтом)

Грунтовые противоналедные валы сооружают, как правило, из слабо­дренирующих грунтов с послойным его уплотнением. Для улучшения условий перехода воды в состояние льда непосредственно перед валом планируют площадку, очищенную от растительности. Высоту вала назначают выше наибольшей мощности прогнозируемой наледи не менее чем на 0,5 м. Длина вала должна полностью перекрывать наледный лог. Ширину грунтового вала поверху назначают от 1 до 3 м с уклонами откосов 1:1,5. Расположение вала в плане выбирают с учетом местных условий и в зависимости от местонахождения источника наледеобразующих вод;

• противоналедные заборы (рис. 2.20).

Для задержания наледей противоналедные заборы сооружают из бревен, брусьев и досок. Железобетонные сборно-разборные заборы выполняют из сборных плит сечением 50200 см, которые устанавливают в пазы столбов или навешивают специальными креплениями. Находят применение металлические сетки с просветами 0,5 см, которые используются в районах со среднемесячной зимней температурой наружного воздуха минус 20^оС и ниже.

Противоналедные заборы находят применение при натечных ключевых наледях и расположении источника на расстоянии более 50 м. При грунтовых наледях дополнительно применяют устройства, которые обеспечивают охлаждение наледеобразующей воды и переход ее в лед при подходе к противоналедным сооружениям. Для этого устраивают наледные пояса, которые состоят из расчищенной от растительности и спланированной площадки, покрытой гравием или галькой. Для повышения шероховатости, уменьшения скорости и разделения водного потока устраивают наброску из отдельных камней (рис. 2.21).

Глубину потока в пределах пояса принимают равной от 2 до 5 см, ширину наледного пояса – не менее 1 м. Количество и расположение наледных поясов устанавливают с расчетом удержания полного объема наледи на необходимом расстоянии от моста [22].

Рис. 2.20. Противоналедные устройства для задержания наледи выше сооружения: а – план противоналедных мероприятий; б – заборная стенка из деревянных щитов; в – то же из металлической сетки; г –то же из железобетонных плит; д – противоналедный вал; l_pн – расчетное расстояние от моста до противоналедного устройства; УН – наивысший уровень наледи; 1 – ось моста; 2 – заборная стенка; 3 – противаналедный вал; 4 – наледь; 5 – деревянные щиты; 6 – металлическая сетка; 7 – сборные железобетонные плиты; 8 – укрепление откоса

Рис. 2.21. Схема наледного пояса: а – комплекс устройств с наледным поясом; б – каменный пояс; 1 – противоналедный вал; 2 – наледь; 3 – наледный пояс; 4 – источник наледи; 5 – отдельные камни; 6 – уплотненная каменная наброска из гальки

На небольших водотоках при неглубоком залегании водоупора под руслом для задержания наледей находят применение сезонные мерзлотные пояса. Сезонные мерзлотные пояса применяют для создания мерзлотной перемычки в потоке грунтовых или речных вод и вывода их на поверхность в удалении от мостов. Они представляют собой канавы шириной 2–4 м, вырубленные во льду, которые располагают поперек долин водотоков на расстоянии до 100 м от мостов на отмелях, где водоток может быть быстрее проморожен [12,22] (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Схема мерзлотных поясов: а – сезонные для грунтовых вод; б – грунтовые с валом; 1 – рыхлый снег; 2 – уплотненный снег, облитый водой; 3 – удаленный мохово-растительный покров; 4 – граница сезонного промерзания; 5 – водоупор; 6 – водоносный слой; 7 – мерзлотная перемычка при слиянии сезонной мерзлоты с водоупором; 8 – вал из грунта; 9 – водопропускная труба

Кроме того, находят применение мерзлотные пояса с охлаждающими установками [12].

При решении вопроса о применении способа задержания наледи на постоянном водотоке учитывают величину расхода водотока, уклона и других условий его протеканий, а так же климатические характеристики района – температуру наружного воздуха, величину снежного покрова, аккумулирующую способность лога [21].

Высоту и количество удерживающих противоналедных сооружений определяют из условия полного задержания наледи.

Противоналедные мероприятия подразделяют на две группы: пассивные (защитные), выполняемые периодически во время образования наледей, и активные (предупредительные) постоянного типа, обеспечивающие задержание наледи с верховой стороны или пропуск наледной воды в низовую сторону. К первой группе относят такие мероприятия, как предотвращение «взрывов» наледных бугров путем их прокола, оттаивания наледей, устройства задерживающих валов из снега, льда, грунта и временных заграждений. К мероприятиям второй группы относят углубление и спрямление русла водотока, отвод воды, образующей наледь, устройство постоянных удерживающих противоналедных сооружений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте краткую характеристику двух принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания.

2. Какие конструкции опор балочных мостов используются в условиях северной строительно-климатической зоны?

3. Дайте краткую характеристику строительных материалов, нашедших применение для опор балочных мостов в условиях северной строительно-климатической зоны.

4. Как определяется глубина заложения столбов и оболочек при проектировании на вечномерзлых грунтах оснований?

5. Дайте краткую характеристику расчета по несущей способности вечномерзлых грунтов.

6. Дайте краткую характеристику сезонноохлаждающих установок, нашедших применение для стабилизации вечномерзлых грунтов оснований опор балочных мостов.

7. В чем заключается особенность работы трубчатых охлаждающих установок и термоопор цниис?

8. Охарактеризуйте расчет опор по устойчивости на воздействие сил морозного пучения грунтов.

9. В чем заключается особенность проектирования опор на водотоках с наледями? Дайте краткую характеристику.

10. Какие противоналедные устройства и мероприятия находят применение при проектировании мостов?

11. Назовите особенности проектирования опор малых и средних мостов в условиях распространения вечномерзлых грунтов оснований.

12. Каким образом обеспечивают температурный режим вечномерзлых грунтов оснований опор балочных мостов?