ВОДОПРОПУСКНОЕ СООРУЖЕНИЕ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
SPILLOVER ON PERMAFROST SOILS

Изобретение относится к области строительства водопропускных и водоотводных сооружений в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях и может быть использовано при строительстве и реконструкции дорожного полотна линейных сооружений на участках поперечных водопропускных и продольных водоотводных устройств на слабых и вечномерзлых грунтах (железных и автомобильных дорог, магистральных трубопроводов, плотин и дамб).
Общеизвестно, что в районах вечной мерзлоты наиболее проблемными являются участки выпуска из искусственных сооружений на полосах стока постоянных и временных водотоков.
Особые условия территории южной зоны вечной мерзлоты способствуют накоплению ила в прибрежных зонах водотоков и зарастанию полос стока. Мерзлота в этих зонах поднимается, что приводит к образованию водонепроницаемой преграды и увеличению застойных зон около искусственных сооружений, вызывающих деформации приподошвенных зон насыпей.
Стабилизация земляных дорожных сооружений на полосах стока постоянных и временных водотоков достигается с помощью различных осушающих конструкций: дренажных прорезей, канав, фильтрующих насыпей, лотков различного типа (композитных - облегченных, сборных различной конструкции: телескопических, рамных и др.), а также различных дренажных устройств с использованием геосинтетических материалов, георешеток и геосеток, заполненных дренирующим фракционным материалом, сетчатых контейнеров.
Известно водопропускное сооружение на вечномерзлых грунтах, принцип работы которого заключается в свободном пропуске и отводе поверхностных и грунтовых вод от тела земляного полотна [А.с. СССР №1424385. Водопропускное сооружение под дорожной насыпью на мари. Н.А. Перетрухин, О.М. Скоморохова и др., ЦНИИС. - М., 1985].
Водопропускное сооружение на вечномерзлых грунтах представляет собой уложенные в основании дорожного полотна по крайней мер, три дренажные секции.
Каждая дренажная секция выполнена из перфорированных труб, уложенных рядами по высоте перпендикулярно оси дорожного полотна линейного сооружения.
Каждая дренажная секция уложена перпендикулярно дорожному полотну линейного сооружения на предварительно отсыпанную на его основание песчаную подушку трапецеидальной формы. В результате средняя дренажная секция расположена выше крайних дренажных секций с образованием зазоров между ними.
Для обеспечения целостности водопропускного сооружения дренажные секции по внешнему периметру обернуты синтетическим нетканым материалом.
Устройство работает следующим образом.
Под действием статической и вибродинамической нагрузки происходит осадка грунтов основания линейного сооружения. При этом дренажные секции в процессе осадки грунтов основания выравниваются по высоте за счет уменьшения величины зазоров между ними. В конечном итоге перфорированные трубы соседних секций стыкуются между собой и образуют общую фильтрующую секцию.
В летний период поток поверхностных и грунтовых вод транспортируется через состыкованные перфорированные трубы с нагорной части, прилегающей к дорожному полотну территории, в подгорную часть для их выпуска.
В первые два-три года водопропускное сооружение работает в нормальном режиме, обеспечивая пропуск поверхностной и грунтовой вод, поступающих к линейному сооружению.
С течением времени в результате деградации вечной мерзлоты происходит дальнейшая осадка грунтов основания и, соответственно, смещение соседних секций водопропускного сооружения и нарушение стыковки в них перфорированных труб.
Нарушение стыковки перфорированных труб в соседних секциях приводит к сужению живого сечения потока воды, изменению равномерности гидравлического режима водотока по длине общей фильтрующей секции с увеличением гидравлического напора воды в зонах стыковки соседних секций водопропускного сооружения. Увеличение гидравлического напора воды способствует размыву грунтов основания в зоне контакта дренажных секций и дальнейшей неравномерной осадке грунтов основания линейного сооружения, нарушению целостности водопропускного сооружения, снижению устойчивости и надежности земляного сооружения при эксплуатации. В результате водопропускное сооружение и дорожное полотно на участке стока выходит из строя раньше нормативного срока службы водопропускного сооружения.
Известное водопропускное сооружение на вечномерзлых грунтах обеспечивает стабильный режим его работы в первые два-три года эксплуатации, что является его достоинством.
Однако срок службы водопропускного сооружения в стабильном режиме значительно меньше нормативного срока службы водопропускного сооружения (10 лет). Это обусловлено изменением равномерности гидравлического режима водотока по длине общей фильтрующей секции с увеличением гидравлического напора воды в зонах стыковки соседних секций водопропускного сооружения, приводящих к их расстыковке в самом водопропускном сооружении, к нарушению целостности водопропускного сооружения в процессе его эксплуатации и к потере надежности и устойчивости земляного полотна линейного сооружения.
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности является водопропускное сооружение на вечномерзлых грунтах, принцип работы которого заключается в свободном пропуске и отводе поверхностных и грунтовых вод от тела земляного полотна [Патент 2186170 РФ. Фильтрующая насыпь на слабых грунтах. А.А. Пиотрович, С.М. Жданова; ДВГУПС, - Хабаровск. 2002 г.].
Водопропускное сооружение на вечномерзлых грунтах представляет собой дренажную секцию из контейнеров с сортированным скальным грунтом, уложенных рядами по высоте перпендикулярно оси дорожного полотна линейного сооружения, на предварительно спланированное основание с понижением его продольного уклона в сторону выпуска. Секция выполнена в русле водотока в основании дорожного полотна и выполняет дренажную и охлаждающую функции за счет наличия пустот между фракциями скального грунта.
Контейнеры уложены по высоте рядами. При этом уложенные по периметру секции контейнеры связаны между собой. В поперечном сечении связанные контейнеры образуют арку, которая армирует дренажную секцию, сохраняя целостность водопропускного сооружения в процессе длительной эксплуатации.
Для обеспечения проектной формы водопропускного сооружения дренажная секция по внешнему периметру обернута синтетическим нетканым материалом.
Дренажная секция выполнена перпендикулярно дорожному полотну линейного сооружения на предварительно спланированном естественном основании с продольным уклоном в сторону канавы выпуска. В результате входное отверстие дренажной секции расположено выше, чем ее выходное отверстие на выпуске.
Устройство работает следующим образом.
В летний период поток поверхностных и грунтовых вод выпускается через пустоты скального грунта контейнеров дренажной секции с нагорной территории, прилегающей к дорожному полотну, в подгорную территорию.
В течение 7-8 лет водопропускное сооружение работает в стабильном режиме.
При этом грунты основания в результате конвективного теплообмена скального грунта дренажной секции с воздухом и грунтами основания находятся в мерзлом состоянии, живое сечение потока воды и гидравлический режим водотока по длине общей секции водопропускного сооружения остается постоянным, и, как следствие, обеспечивается стабильный выпуск поверхностной и грунтовой вод по водопропускному сооружению и по канаве выпуска. Вода по канаве выпуска благодаря ее продольному уклону дна стекает в пониженную часть рельефа.
Однако с течением времени дно канавы выпуска заиливаются и под канавой выпуска образуется горб из мерзлого грунта, что нарушает единый температурный режим в основании дорожного полотна и канаве выпуска.
Наличие горба из мерзлого грунта приводит к сужению периметра канавы выпуска с подгорной низовой стороны и нарушению гидравлического режима водотока. Между дорожным полотном линейного сооружения и канавой выпуска происходит скопление воды и образование застойного участка. Застой воды способствует протаиванию мерзлоты в грунтах под водопропускным сооружением и неравномерной осадке тела дорожного полотна.
Неравномерная осадка грунтов основания дорожного полотна под водопропускным сооружением приводит к сужению периметра живого сечения потока поверхностных и грунтовых вод и нарушению равномерности гидравлического режима водотока в водопропускном сооружении, что приводит к выходу из строя водопропускного сооружения раньше нормативного срока его службы. В течение нормативного срока его службы для стабильного режима выпуска поверхностной и грунтовой вод требуется ремонт водопропускного сооружения.
В течение срока службу дорожного полотна линейного сооружения ремонты водопропускного сооружения осуществляется многократно.
Достоинством известного водопропускного сооружения является увеличение его срока службы в стабильном режиме до 7-8 лет за счет обеспечения конвективного теплообмена скального грунта дренажной секции с воздухом и грунтами основания, обеспечивающего сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии.
Однако срок службы водопропускного сооружения в стабильном режиме меньше нормативного срока службы водопропускного сооружения (10 лет), что является недостатком известного устройства. Это обусловлено нарушением равномерности гидравлического напора воды в водопропускном сооружении и естественного гидравлического режима водотока из-за нарушения температурного режима в самом сооружении и канаве выпуска.
В основу изобретения положена задача разработать водопропускное сооружение на вечномерзлых грунтах, позволяющее увеличить срок его службы до срока службы дорожного полотна линейного сооружения за счет обеспечения равномерного гидравлического режима водотока в течение срока службы дорожного полотна линейного сооружения путем создания постоянного температурного режима в водопропускном сооружении и в канаве выпуска.
i+1
i
i.
i
i+1
Для решения поставленной задачи в водопропускном сооружении на вечномерзлых грунтах, представляющем собой дренажную секцию из контейнеров с сортированным скальным грунтом, уложенную перпендикулярно дорожному полотну линейного сооружения на естественное спланированное основание и на дно выпускного русла стока воды с нагорной стороны прилегающей территории в ее подгорную сторону, при этом дренажная секция по периметру обернута синтетическим нетканым материалом, каждый последующий контейнер, начиная со второго контейнера, уложен один на другой с нахлестом со смещением его центра тяжести в сторону выпуска, при этом величина нахлеста составляет ΔL=(0,1-0,15)L, где ΔL - величина нахлеста последующего контейнера на край предыдущего контейнера; L - длина каждого контейнера, а вес каждого последующего контейнера относится к весу предыдущего контейнера как P/P=(0,05-0,10)P, где P - вес предыдущего контейнера; P - вес каждого последующего контейнера.
i+1
i
i.
i
i+1
Заявляемое решение отличается от прототипа новой формой выполнения дренажной секции из контейнеров с сортированным скальным грунтом, новым взаиморасположением контейнеров относительно друг друга и новыми их параметрами, а именно каждый последующий контейнер, начиная со второго контейнера, уложен один на другой с нахлестом со смещением его центра тяжести в сторону выпуска, при этом величина нахлеста составляет ΔL=(0,1-0,15)L, где ΔL - величина нахлеста последующего контейнера на край предыдущего контейнера; L - длина каждого контейнера, а вес каждого последующего контейнера относится к весу предыдущего контейнера как P/P=(0,05-0,10)P, где P - вес предыдущего контейнера; P - вес каждого последующего контейнера. Наличие существенных отличительных признаков заявляемого решения свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».
i+1
i
i.
i
i+1
Укладка каждого последующего контейнера, начиная со второго контейнера, один на другой с нахлестом со смещением его центра тяжести в сторону выпуска с величиной нахлеста ΔL=(0,1-0,15)L, где ΔL - величина нахлеста последующего контейнера на край предыдущего контейнера; L - длина каждого контейнера, а также изменение веса каждого последующего контейнера по отношению к весу предыдущего контейнера как P/P=(0,05-0,10)P, где P - вес предыдущего контейнера; P - вес каждого последующего контейнера приводит к увеличению срока службы водопропускного сооружения до срока службы дорожного полотна линейного сооружения.
i+1
i
i
Это обусловлено тем, что благодаря укладке каждого последующего контейнера, начиная со второго контейнера, один на другой с нахлестом со смещением его центра тяжести в сторону выпуска с величиной нахлеста ΔL=(0,1-0,15)L, а также изменению веса каждого последующего контейнера по отношению к весу предыдущего контейнера как P/P=(0,05-0,10)P происходит равномерное увеличение давления дренажной секции на слабые грунты основания, которое обеспечивает постоянство продольного уклона по всей длине водопропускного сооружения. В свою очередь сохранение постоянства продольного уклона по всей длине водопропускного сооружения в течение годового цикла приводит к созданию равномерного естественного гидравлического режима водотока, который без сбоев функционирует в течение срока службы дорожного полотна линейного сооружения. Обеспечение постоянно функционирующего режима водотока приводит к резкому увеличению срока службы водопропускного сооружения с 7-8-ми лет до 50 и более лет.
i+1
i
i.
i
i+1
Причинно-следственная связь «Укладка каждого последующего контейнера, начиная со второго контейнера, один на другой с нахлестом со смещением его центра тяжести в сторону выпуска с величиной нахлеста ΔL=(0,1-0,15)L, где ΔL - величина нахлеста последующего контейнера на край предыдущего контейнера; L - длина каждого контейнера, а также изменение веса каждого последующего контейнера по отношению к весу предыдущего контейнера как P/P=(0,05-0,10)P, где P - вес предыдущего контейнера; P - вес каждого последующего контейнера приводит к увеличению срока службы водопропускного сооружения до срока службы дорожного полотна линейного сооружения» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него. Наличие новой причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фигурах представлены продольные сечения водопропускного сооружения на вечномерзлых грунтах, иллюстрирующие его работоспособность и промышленную применимость.
На фиг. 1 - продольное сечение водопропускного сооружения в процессе строительства.
На фиг. 2 - продольное сечение водопропускного сооружения в процессе эксплуатации.
Заявляемое водопропускное сооружение на вечномерзлых грунтах основано на свободном пропуске и отводе поверхностных и грунтовых вод от тела земляного полотна.
Водопропускное сооружение на вечномерзлых грунтах представляет собой дренажную секцию 1, которая выполняет дренажную и охлаждающую функции.
Дренажная секция 1 уложена перпендикулярно дорожному полотну 3 линейного сооружения на предварительно спланированное естественное основание с продольным уклоном не менее 3% в сторону выпуска. В результате входное отверстие дренажной секции 1 расположено выше, чем выходное отверстие на выпуске.
Дренажная секция 1 выполнена из контейнеров 2 с сортированным скальным грунтом, которые внахлест уложены на естественное спланированное основание 3 под телом земляного дорожного полотна 4 и на дно выпускного русла стока воды 5 в направлении от входного отверстия в сторону выпуска.
Каждый последующий контейнер 2, начиная со второго контейнера, уложен с нагорной стороны один на другой с нахлестом со смещением центра тяжести в сторону выпуска. Величин нахлеста составляет ΔL=(0,1-0,15)L,
где ΔL - величина нахлеста последующего контейнера на край предыдущего контейнера;
L - длина каждого контейнера.
Для обеспечения целостности дренажная секция 1 по периметру обернута геосинтетическим материалом 6.
Для создания равномерного продольного уклона не менее 3%, вес каждого последующего контейнера относится к весу предыдущего контейнера как
i+1
i
i
P/P=(0,05-0,10)P,
i
где P - вес предыдущего контейнера;
i+1
P - вес каждого последующего контейнера.
При выборе величины нахлеста ΔL<0,1 L величина возникающих сил сцепления является недостаточной для удержания одного контейнера 2 на другом и для образования водопропускного сооружения в целом.
При выборе величины нахлеста больше ΔL>0,15L величина возникающих сил сцепления приводит к образованию секции 1 с переменным сечением по длине каждого контейнера 2. В местах минимального сечения каждого контейнера 2 под действием сил тяжести дорожного полотна на дне секции 1 образуются углубления в основании дорожного полотна, которые нарушают равномерный режим работы водотока.
Работа устройства рассмотрена на примере водопропускного сооружения, выполненного на КМ 3223 ПК 8 Северного широтного хода ДВЖД в основании насыпи высотой 4,2 м с продольным уклоном 1%.
Для создания водопропускного сооружения в предзимний период при отсутствии грунтовых и поверхностных вод в русле водотока в зоне деформирующегося участка железнодорожного пути снимается рельсошпальная решетка, в теле насыпи дорожного полотна разрабатывается котлован и отрывается траншея длиной до 32 м и шириной до 3 м, по периметру которой укладывается геосинтетический материал 6.
3
3
3
3
Для образования секции 1 водопропускного сооружения формируется восемь контейнеров 2: первый контейнер с габаритами 4,5·3,0·1,0 м и весом 25,7 т; второй контейнер с габаритами 4,5·3,0·1,09 м и весом 27,0 т; третий - 4,5·3,0·1,19 м и весом 28,3 т; и т.д., восьмой - 4,5·3,0·1,64 м и весом 34.8,0 т.
Контейнеры 2 укладываются на геосинтетическом материале на дне траншеи в русле водотока. Причем каждый последующий контейнер 2 укладывается на предыдущий с нахлестом до 0,7 м. После укладки контейнеров в секцию ее оборачивают геосинтетическим материалом 6. Благодаря армирующим свойствам геосинтетического материала 6, нагрузка от каждого контейнера 2 более равномерно распределяется по всей длине секции 1. В результате обжатия грунтов естественного основания создается продольный уклон не менее 3%.
Затем котлован засыпается, проектный профиль земляного полотна восстанавливается и укладывается рельсо-шпальная решетка.
Под действием статической и вибродинамической нагрузки секция 1 водопропускного сооружения принимает проектное положение, при этом создается равномерное живое сечение потока по всей длине сооружения и формируется естественное основание с продольным уклоном не менее 3% в сторону выпуска. Входное отверстие дренажной секции 1 становится выше, чем ее выходное отверстие на выпуске.
Устройство работает следующим образом.
После устройства водопропускного сооружения в зимний период происходит конвективный теплообмен скального грунта секции 1 с наружным холодным воздухом и грунтами основания водопропускного сооружения. При этом грунты основания промораживаются и обеспечивается сохранение мерзлого грунта в основании дорожного полотна 3 и под канавой выпуска практически до конца летнего сезона будущего года.
В летний период поток поверхностных и грунтовых вод через пустоты скального грунта в контейнерах 2 дренажной секции 1 по созданному продольному уклону дна выпускается с нагорной территории, прилегающей к дорожному полотну 3, в подгорную территорию.
Между промороженными в зимний период грунтами основания и скальными грунтами секции 1 происходит постоянный конвективный теплообмен, что обеспечивает постоянный температурный режим по всей длине водопропускного сооружения. Благодаря постоянной температуре в секции 1 живое сечение потока поверхностных и грунтовых вод сохраняется постоянным по всей длине секции 1, что обеспечивает постоянный водно-тепловой режим по всей длине водопропускного сооружения. В таких условиях водопропускное сооружение равномерно отводит поток поверхностных и грунтовых вод в пониженную часть рельефа прилегающей территории без образования застойных участков в основании водопропускного сооружения, сохраняя проектные параметры.
Таким образом, живое сечение потока остается постоянным по всей длине водопропускного сооружения до выпуска в пониженную часть рельефа в течение теплого периода года.
С наступлением следующего холодного периода года вновь происходит аккумуляция холода в основании водопропускного сооружения, который обеспечивает его отдачу в скальную секцию 1 для обеспечения постоянства живого сечения водного потока и водно-теплового режима по всей длине водопропускного сооружения в теплый период года. При этом водопропускное сооружение работает в нормальном режиме. Такой цикл стабильной работы повторяется в течение всего срока службы не только водопропускного сооружения, но и срока службы дорожного полотна линейного сооружения.
Использование заявляемого водопропускного сооружения позволяет использовать его без ремонта в течение срока службы дорожного полотна линейного сооружения, т.е. в течение 45-50 лет.