УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫПУСКА ПОВЕРХНОСТНЫХ И ГРУНТОВЫХ ВОД
SURFACE AND GROUND WATER DISCHARGE DEVICE

Изобретение относится к области строительства земляных сооружений в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях и может быть использовано при строительстве и реконструкции линейных сооружений на участках водоразмывов и фильтрации воды через тело дорожного полотна, преимущественно на вечномерзлых грунтах и в условиях глубокого сезонного промерзания (железных и автомобильных дорог, магистральных трубопроводов, плотин и дамб).
Часто основной причиной потери стабильности дорожного полотна в сложных природно-климатических, инженерно-геологических и мерзлотно-грунтовых условиях являются деформации пучинно-наледного характера. В большинстве случаев это связано с отсутствием малых искусственных сооружений на пересечении дорожного полотна с небольшими местными логами, пазухами, депрессионными впадинами, расположенными на слабосточных участках местности. На таких участках из-за малого (менее 1,5%) продольного уклона, как правило, происходит нарушение работы продольных водоотводных канав, расположенных вдоль насыпи. При нарушении работы водоотводов поверхностные и грунтовые воды со склона стекают в приподошвенную зону насыпи по пониженным участкам рельефа: устью лога, пазухи, депрессионной впадины. В летний период вода свободно фильтрует через тело дорожного полотна, не нарушая значительно целостности грунтового массива. В период наступления отрицательных температур происходит нарушения водно-теплового режима из-за неравномерного промерзания приподошвенных зон и сужение живого сечения водного потока, который приобретает напорный режим. В результате, как правило, в ноябре, на пересечении дорожного полотна с местными логами, пазухами, депрессионными впадинами при большом напоре воды происходит, с одной стороны, вынос грунтовых частиц через дренирующие грунты дорожного полотна и основания, с другой стороны, при полном промерзании приподошвенных зон дорожного полотна с подгорной стороны - заполнение пустот в теле дорожного полотна водой, которая при замерзании увеличивается в объеме и образует пучины. При этом деформируется земляное сооружение (происходят осадки основания; наледные бугры, пучины, а весной образуются провальные воронки, размывы откосов и др.).
Стабилизация земляных сооружений, насыпи и основания которых сложены размываемыми грунтами, достигается с помощью различных осушающих дренажных устройств, дренирующих насыпей из сортированного скального грунта, канав, противоналедных «тепловых» и «мерзлотных» поясов, а также малых водопропускных сооружений.
Известно устройство для выпуска поверхностных и грунтовых вод через дорожное полотно, в основе которого лежит сбор и отвод поверхностных и грунтовых вод с осушаемой территории, а также ее безналедный отвод от ограждаемого объекта [ВСН 210-91. Проектирование, строительство и эксплуатация противоналедных сооружений и устройств, М. -1992 г., с. 30-31].
Устройство для выпуска поверхностных и грунтовых вод представляет собой траншею, вырытую высотой до глубины сезонного промерзания с укрепляющим и утепляющим слоями, расположенную вдоль насыпи дорожного полотна на слабосточных участках местности. Траншея в сечении выполнена в виде трапеции, имеющей следующие размеры: дно шириной от 0,8 до 1,5 м; глубину - от 0,8 до 1,5 м; откосы - полуторные. Укрепляющий слой образован из скальной массы или щебня толщиной 0,1-0,2 м и уложен по дну и на откосах. Утепляющий слой из теплоизолирующего материала уложен над траншеей. В качестве теплоизолирующего материала использован мох или плиты пенополистирола и др.
Устройство работает следующим образом.
Летом поверхностная вода свободно поступает в траншею, которая собирается со всей нагорной территории и отводится в соседние водопропускные сооружения, например мосты, трубы или фильтрующие насыпи.
В предзимний период грунтовая вода, поступившая в траншею со склона, расположенного выше нее, отводится, пока в утепленной траншее сохраняется положительная температура.
В исправном состоянии траншея обеспечивает беспрепятственный сбор и выпуск воды, осушая территорию вблизи земляного полотна. Осушение территории без застоев воды способствует сохранению грунтов основания дорожного полотна в прочном состоянии без деформаций.
С течением времени вблизи дорожного полотна в слабосточной местности с продольным уклоном менее 1,5% при пересечении пониженных частей рельефа (логов, пазух и др.) в траншее происходит нарушение водно-теплового режима, приводящее к заиливанию траншеи. Нарушается беспрепятственный сток поверхностных и грунтовых вод в траншее. Они со склона, минуя продольную траншею, стекают в приподошвенную зону насыпи по устью лога, пазухи или депрессионной впадины и скапливаются у приподошвенных зон дорожного полотна. При отрицательных температурах приподошвенные зоны дорожного полотна промерзают неравномерно, происходит сужение живого сечения водного потока, в котором свободный сток воды превращается в напорный. При большом напоре вода в теле дорожного полотна образует «свищи» и прорывается через него, вынося мелкий грунт и вызывая просадки дорожного полотна.
Кроме того, в случае более раннего промерзания приподошвенных зон дорожного полотна с подгорной стороны происходит закупорка пустот в грунтовом массиве, препятствующая свободному выпуску грунтовой воды. Вода заполняет менее плотные зоны дорожного полотна, которая зимой образует в нем ледяные бугры или бугры пучения под основной площадкой дорожного полотна, а при протаивании - провальные воронки.
Срок службы бесперебойной работы известного устройства для выпуска поверхностных и грунтовых вод на протаивающих вечномерзлых грунтах составляет 3-5 лет, что является достоинством известного устройства.
Однако обеспечиваемый известным устройством для выпуска поверхностных и грунтовых вод срок службы бесперебойной работы значительно меньше его нормативного срока службы, который составляет 10 лет, что является недостатком известного устройства.
Это обусловлено тем, что с течением времени в слабосточной местности при пересечении пониженных частей рельефа (логов, пазух и др.) нарушается беспрепятственный сток поверхностных и грунтовых вод в траншее из-за ее заиливания в результате неравномерного промерзания грунтов на дне траншеи, что приводит к напорному режиму грунтовых вод, к проникновению и скоплению их под основной площадкой дорожного полотна, и к образованию деформаций в самом теле дорожного полотна.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является известное устройство для выпуска поверхностных и грунтовых вод (дренажное устройство), в основе которого лежит сбор и отвод грунтовой воды с осушаемой территории [Патент на полезную модель РФ №93410. Полевиченко А.Г. Дренажное устройство. Опубликовано: 11.12.2009. Патентообладатель(и): Дальневосточный Государственный Университет путей сообщения" (ДВГУПС) (RU)].
Устройство для выпуска поверхностных и грунтовых вод содержит продольную траншею и соединенные с ней, через пять метров, поперечные траншеи. Продольная траншея расположена вдоль насыпи дорожного полотна с уклоном и выполнена высотой до глубины сезонного промерзания в пределах 0,8-1,8 м с продольным уклоном не менее 1,5%, а поперечные траншеи - перпендикулярно дорожному полотну и выполнены высотой до глубины сезонного промерзания в пределах 0,8-1,8 м в приподошвенной зоне насыпи дорожного полотна с нагорной стороны с продольным уклоном 10-20% в сторону продольной траншеи. В продольной траншее уложена дренажная труба, траншеи на всю глубину заполнены укрепляющим дренирующим слоем, например щебнем. Траншеи в сечении выполнены в виде трапеции, имеющей следующие размеры: дно шириной от 0,8 до 1,5 м; глубину - от 0,8 до 1,5 м; откосы - 1:0,5. Для сохранения приподошвенных зон дорожного полотна от переувлажнения над поперечными траншеями и вдоль откосов отсыпаны бермы из глинистого грунта.
Устройство работает следующим образом.
В течение теплого периода в слое сезонного промерзания собирается грунтовая и поверхностная вода продольной и поперечными траншеями с прилегающей к дорожному полотну территории с нагорной стороны и отводится в соседние водопропускные сооружения: например, мосты, трубы или фильтрующие насыпи. В исправном состоянии траншея обеспечивает беспрепятственный сбор и выпуск воды, осушая нагорную территорию вблизи дорожного полотна, что приводит в результате к осушению самого дорожного полотна и к его стабилизации.
В предзимний период грунтовая вода, поступившая в траншею со склона, расположенного выше нее, отводится, пока в утепленной траншее сохраняется положительная температура. С наступлением отрицательных температур грунты траншеи из-за их различных физических свойств промерзают неравномерно, нарушается природный гидравлический режим грунтовых вод, происходит постепенное нарушение водно-теплового режима и возникновение деформаций продольного уклона дна траншеи.
С течением времени вблизи дорожного полотна в слабосточной местности при пересечении пониженных частей рельефа (логов, пазух и др.) нарушается беспрепятственный сток поверхностных вод в продольной траншее из-за ее заиливания в результате деградации вечной мерзлоты в ее основании, происходит нарушение водно-теплового режима и работы устройства для выпуска поверхностных и грунтовых вод. При этом поверхностные и грунтовые воды скапливаются в приподошвенной зоне насыпи дорожного полотна на пересечении дорожного полотна с поперечными траншеями в пониженных частях рельефа, в логах, которые заиливаются и становятся дополнительными «руслами стока воды» к телу дорожного полотна.
В теплый период года вода фильтруется через тело дорожного полотна и выходит в подгорную сторону.
В предзимний период с наступлением отрицательных температур приподошвенные зоны дорожного полотна с подгорной стороны промерзают раньше, чем с нагорной стороны, происходит закупорка пустот льдом в грунтовом массиве, которая препятствует свободной фильтрации грунтовой воды через дорожное полотно и способствует заполнению водой менее плотных зон дорожного полотна. В зимний период вода поступает в разуплотненные зоны дорожного полотна, промерзает и образует в нем ледяные бугры пучения под основной площадкой дорожного полотна, а при протаивании - провальные воронки. При этом устройство для выпуска поверхностных и грунтовых вод не справляется с пропуском воды, которая еще больше обводняет приподошвенные зоны дорожного полотна, и оно еще больше деформируется.
Известное устройство для выпуска поверхностных и грунтовых вод при использовании позволяет увеличить срок службы его бесперебойной работы до 5-7 лет за счет полного сбора поверхностных и грунтовых вод с приподошвенной зоны дорожного полотна с нагорной стороны и беспрепятственного их пропуска за пределы дорожного полотна, что является достоинством известного устройства.
Однако обеспечиваемый известным устройством для выпуска поверхностных и грунтовых вод срок службы меньше нормативного срока службы, который составляет 10 лет, что является недостатком известного устройства.
Это обусловлено тем, что с течением времени в слабосточной местности в продольной и некоторых поперечных траншеях нарушается беспрепятственный сток поверхностных и грунтовых вод из-за их заиливания в результате неравномерного промерзания грунтов в основании продольной траншеи, что приводит к возникновению напорного режима грунтовых вод, к проникновению и скоплению их под основной площадкой дорожного полотна и к образованию деформаций в самом теле дорожного полотна. Это приводит к разрушению устройства для выпуска вод, и, как следствие, к снижению стабильности дорожного полотна
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для выпуска поверхностных и грунтовых вод, позволяющего увеличить срок службы устройства, превышающий нормативный срок, и сохранить стабильность дорожного полотна за счет предупреждения деформаций в самом теле дорожного полотна путем обеспечения в зимний период свободной фильтрации грунтовой воды через грунты дорожного полотна с его нагорной стороны в подгорную.
Для решения поставленной задачи в устройстве для выпуска поверхностных и грунтовых вод, содержащем продольную траншею, расположенную вдоль откоса дорожного полотна, и соединенную с ней, по крайней мере, одну поперечную траншею, расположенную перпендикулярно откосу с нагорной стороны дорожного полотна, при этом продольная и каждая поперечная траншеи выполнены до глубины слоя сезонного промерзания и заполнены дренирующим грунтом и на каждую поперечную траншею уложен теплоизоляционный слой, дополнительно выполнена, по крайней мере, одна поперечная траншея, расположенная перпендикулярно откосу с подгорной стороны дорожного полотна, выполненная до глубины слоя сезонного промерзания, заполненная дренирующим грунтом и уложенным на каждую траншею теплоизоляционным слоем, при этом поперечная траншея с нагорной стороны и поперечная траншея с подгорной стороны дорожного полотна расположены в одном поперечном сечении в каждой пониженной части рельефа.
Заявляемое решение отличается от прототипа дополнительным введением в устройство для выпуска поверхностных и грунтовых вод, по крайней мере, одной поперечной траншеи, расположенной перпендикулярно откосу с подгорной стороны дорожного полотна, выполненной до глубины слоя сезонного промерзания, заполненной дренирующим грунтом, и уложенным на каждую траншею теплоизоляционным слоем, и расположением в одном поперечном сечении поперечной траншеи с нагорной стороны и поперечной траншеи с подгорной стороны дорожного полотна.
Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков, характеризующих решение, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Дополнительное введение в устройстве для выпуска поверхностных и грунтовых вод, по крайней мере, одной поперечной траншеи, расположенной перпендикулярно откосу с подгорной стороны дорожного полотна, выполненной до глубины слоя сезонного промерзания, заполненной дренирующим грунтом и уложенным на каждую траншею теплоизоляционным слоем, и расположение в одном поперечном сечении поперечной траншеи с нагорной стороны и поперечной траншеи с подгорной стороны дорожного полотна в каждой пониженной части рельефа приводят к увеличению срока службы устройства, превышающего нормативный срок, и к сохранению стабильности дорожного полотна за счет предупреждения деформаций в самом теле дорожного полотна путем обеспечения свободной фильтрации грунтовой воды через грунты дорожного полотна с нагорной стороны дорожного полотна в подгорную в зимний период.
Это обусловлено созданием в зимний период свободной фильтрации воды через грунты в основании с нагорной стороны в подгорную сторону дорожного полотна за счет сохранения положительной температуры в поперечных траншеях с обеих сторон дорожного полотна и в его основании. Это приводит к тому, что на всем протяжении поперечного выпуска воды происходит ее беспрепятственный безнапорный сток, что приводит к увеличению срока службы устройства, превышающего нормативный срок. При этом структура грунтов основания дорожного полотна остается без изменения, деформации в самом теле дорожного полотна не происходят, что приводит к сохранению стабильности дорожного полотна.
Причинно-следственная связь «Дополнительное введение в устройстве для выпуска поверхностных и грунтовых вод, по крайней мере, одной поперечной траншеи, расположенной перпендикулярно откосу с подгорной стороны дорожного полотна, выполненной до глубины слоя сезонного промерзания, заполненной дренирующим грунтом и уложенным на каждую траншею теплоизоляционным слоем, и расположение в одном поперечном сечении поперечной траншеи с нагорной стороны и поперечной траншеи с подгорной стороны дорожного полотна в каждой пониженной части рельефа приводят к увеличению срока службы устройства, превышающего нормативный срок, и к сохранению стабильности дорожного полотна за счет предупреждения деформаций в самом теле дорожного полотна путем обеспечения свободной фильтрации грунтовой воды через грунты дорожного полотна с нагорной стороны дорожного полотна в подгорную в зимний период» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, что свидетельствует о новизне причинно-следственной связи, проявляющейся в работе устройства для выпуска поверхностных и грунтовых вод. Наличие новой причинно-следственной связи свидетельствует, в свою очередь, о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлено поперечное сечение устройства для выпуска поверхностных и грунтовых вод, способствующее пониманию сущности изобретения, его работоспособности и промышленной применимости.
Устройство для выпуска поверхностных и грунтовых вод содержит продольную траншею 1 и соединенные с ней две поперечные траншеи 2 и 3. Продольная траншея 2 выполнена вдоль откоса 4 дорожного полотна 5, а поперечные траншеи 2 и 3 выполнены перпендикулярно откосам 4 дорожного полотна 5.
Поперечные траншеи 2 и 3 расположены в каждой пониженной части рельефа 6, например в логах в одном поперечном сечении дорожного полотна 5. Каждая поперечная траншея 2 выполнена с нагорной стороны дорожного полотна 5 с продольным уклоном 15% в сторону выпуска грунтовых и поверхностных вод. Каждая поперечная траншея 3 выполнена с подгорной стороны дорожного полотна 5 с продольным уклоном 25% в сторону выпуска грунтовых и поверхностных вод.
Поперечная траншея 2 выполнена до глубины сезонного промерзания 7 высотой 1,8 м, а поперечная траншея 3 - до глубины 2,2 м.
Продольная траншея 1 выполнена высотой до глубины сезонного промерзания 6 высотой 1,8 м с продольным уклоном не менее 1,5%.
Все траншеи заполнены дренирующим грунтом, например фракционным скальным грунтом или щебнем.
Над каждой из поперечных траншей 2 и 3 выполнен теплоизоляционный слой 8, предназначенный для тепловой изоляции грунтов траншей с холодным воздухом, в период отрицательных температур. Теплоизоляционный слой 8 представляет собой, например, плиты из пенополистирола.
Для сохранения приподошвенных зон дорожного полотна 5 от переувлажнения над поперечными траншеями 2 и 3 и вдоль откосов 4 отсыпаны водоотжимные бермы 9 из глинистого грунта.
Устройство работает следующим образом.
В весенний период грунтовая и поверхностная вода собирается продольной траншеей 1 и полностью отводится за пределы дорожного полотна через соседние водопропускные сооружения: например, мосты, трубы или фильтрующие насыпи, что приводит к осушению нагорной территории вблизи дорожного полотна 5.
В случае переполнения продольной траншеи 1 вода попадает в поперечные траншеи 2, свободно фильтруется через грунты тела дорожного полотна 5, затем по поперечным траншеям 3 отводится в подгорную сторону дорожного полотна 5. При этом территория вблизи дорожного полотна 5 осушается.
В предзимний период грунтовая и поверхностная вода также собирается продольной траншеей 1 и отводится в соседние водопропускные сооружения. С наступлением отрицательных температур в результате контакта грунта с холодным воздухом окружающей среды в продольной траншее 1 происходит неравномерное промерзание грунтов из-за их разнообразия и различных физических свойств.
Поперечные траншеи 2 и 3 расположены в каждой пониженной части рельефа, например в логах. При этом в поперечных траншеях 2 и 3, благодаря теплоизоляционному слою 8, грунты сохраняют положительную температуру. При этом грунты основания 10 тела дорожного полотна 5 находятся в талом состоянии.
Неравномерное промерзание грунтов в продольной траншее 1 приводит к скоплению грунтовых вод в пониженной части рельефа 6 в приподошвенной зоне дорожного полотна 5 и, как следствие, к возникновению напорного режима грунтовых вод.
Под действием напора грунтовых вод она из продольной траншеи 1 поступает в утепленные поперечные траншеи 2, из которых через талые грунты основания 10 тела дорожного полотна 5 попадает в утепленные поперечные траншеи 3 и отводится за пределы дорожного полотна 5. При этом территория вблизи дорожного полотна 5 осушается.
Таким образом, дополнительно поступившая с нагорной стороны в грунты основания 10 грунтовая вода полностью отводится из него, в нем сохраняется постоянный водно-тепловой режим, обеспечивается свободная фильтрация грунтовой воды через грунты дорожного полотна 5 независимо от сезона года. Процесс отвода грунтовых и поверхностных вод с нагорной стороны дорожного полотна 5 в подгорную сторону продолжается до полного замерзания грунтовой воды склона.
Свободная фильтрация грунтовой воды через грунты дорожного полотна 5 способствует сохранению грунтов от вымывания, обеспечивая стабильное состояние грунтов основания 10, вследствие чего стабильное состояние грунтов основания 10 предотвращает образование деформаций, что обеспечивает устойчивость и надежность дорожного полотна 5 и увеличивает срок службы устройства для выпуска грунтовых и поверхностных вод свыше нормативного.
При этом дренирущий грунт продольной и поперечных траншей препятствует их деформациям и дополнительно способствует равномерному стоку поверхностных и грунтовых вод, сохраняя грунты от вымывания и выноса и обеспечивая устойчивость и стабильность дорожного полотна в любой сезон года.
Водоотжимные бермы 9 сохраняют приподошвенные зоны дорожного полотна 5 от переувлажнения поверхностными водами и отводят их с нагорной стороны в продольную траншею 1, а с подгорной стороны - за пределы дорожного полотна 5.
Кроме того, глинистые грунты бермы 9 сохраняют грунты приподошвенных зон и откосные зоны 4 дорожного полотна 5 от быстрого промерзания, что способствует также более продолжительному выпуску воды из дорожного полотна 5 и осушению самого дорожного полотна 5 и территории вблизи него.
Устройство для выпуска поверхностных и грунтовых вод апробировано на ПК 3 КМ 2374 участка земляного полотна БАМа со знакопеременными деформациями (пучение+осадка) грунта насыпи до 100 мм в год. Строительство устройства для выпуска поверхностных и грунтовых вод на протаивающих вечномерзлых грунтах осуществлялось экскаватором в весенний период по мере протаивания грунтов. Параметры продольной траншеи 1: глубина - 1,8 м; продольный уклон - 2,0%, сечение выполнено в виде трапеции, имеющей следующие размеры: дно шириной 0,8 м; глубиной - от 1,0 м до 1,3 м; откосы - 1:0,5.
Каждая поперечная траншея 2 выполнена с нагорной стороны дорожного полотна 5 с продольным уклоном 15% в сторону выпуска грунтовых и поверхностных вод. Каждая поперечная траншея 3 выполнена с подгорной стороны дорожного полотна 5 с продольным уклоном 25% в сторону выпуска грунтовых и поверхностных вод. Поперечная траншея 2 выполнена до глубины сезонного промерзания 7 высотой 1,8 м, а поперечная траншея 3 - до глубины 2,2 м. Теплоизоляционные пластины из пенополистирола, размерами 6,0·0,6·0,04 м. Водоотжимные бермы 9 выполнены из глинистого грунта размерами: шириной 4,5 м, высотой 1,5 м с поперечным уклоном 40% в сторону траншеи с нагорной стороны и также в полевую сторону - с подгорной стороны.
В течение 1,5 лет проводились измерения дебета поступления воды в нагорную траншею 2 и ее выхода из подгорной траншеи 3, также температуры воды в этих траншеях.
Результаты измерений приведены в таблице - Показатели температуры и расхода воды в траншеях.
Результаты опытной проверки работы устройства для выпуска поверхностных и грунтовых вод показывают, что устройство бепрепятственно отводило воду весь теплый сезон.
Математическое моделирование процесса промерзания и фильтрации на основании полученных параметров позволяет сделать вывод о работоспособности устройства в течение 50 лет, что обеспечивает стабильность полотна в этот период.