Водопропускное сооружение в дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах

Полезная модель относится к области строительства водопропускных сооружений и может быть использовано при сооружении водопропускных труб под насыпями железных и автомобильных дорог в районах распространения вечномерзлых грунтов и с сильным снегопереносом.
Известно водопропускное сооружение с ковшовым оголовком, включающее грунтовую дамбу, расположенную на наклонном основании, водоприемный ковш, заглубленный в основание, и отводящую трубу, соединенную одним концом с водоприемным ковшом у дна последнего, линейный дренаж, ориентированный в плане вдоль грунтовой дамбы, и дренажный слой, уложенный с наружной стороны стенок водоприемного ковша (см. патент РФ №2139367, МПК E01F 5/00, опубл. 10.10.1999 г.).
Недостатком этой конструкции является сложность ее изготовления на вечномерзлых грунтах, так как для монтажа ковшового оголовка требуется разработка мерзлого грунта. Кроме того, в зимний период такая конструкция способствует наледеобразованию, что неизбежно приводит к снижению эксплуатационной надежности водопропускного сооружения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является водопропускное сооружение в дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах, содержащее одну или несколько водопроводных труб, расположенных рядом или на расстоянии друг от друга, и оголовок в виде поперечной трубы, примыкающей к одной или к нескольким трубам, при этом поперечная труба содержит перепускные отверстия, фильтрующий материал с внешней ее стороны и дополнительные вертикальные трубы, расположенные напротив отверстий перпендикулярно к поперечной трубе, снабженных поверху смотровыми люками (см. патент РФ №2303675, МПК E01F 5/00, опубл. 27.07.2007 г.).
Недостаток водопропускного сооружения состоит в том, что оно представляет собой сложную громоздкую, многодетальную и металлоемкую конструкцию. Недостатком водопропускного сооружения является и то, что низка его эксплуатационная надежность, обусловленная тем, что используемый фильтрующий массив из каменной наброски, уложенной на максимальную высоту снегозаноса, заносится снегом, частично или полностью и прекращается поступление холодного воздуха в водопропускную трубу. Использование сооружения экономически не выгодно, и значительно дороже обычной железобетонной водопропускной трубы.
Техническая задача - упрощение конструкции сооружения и повышение эксплуатационной надежности за счет исключения чаши многолетнего протаивания под концевыми звеньями водопропускной трубы. Указанная техническая задача достигается тем, что водопропускное сооружение в дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах, содержащее водопропускную трубу, и входной и выходной оголовки, последние выполнены в виде оболочек, соразмерных концевым звеньям водопропускной трубы, смонтированных с зазором относительно грунтов основания дорожной насыпи, соосно размещенных, и консольно закрепленных на концевых звеньях трубы, при этом длина оболочек определяется по формуле: L=hmax+К, где L - длина оболочки, м; hmax - максимальная высота снегозаноса, м; К - эмпирическое число ≥0,5 м.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где схематично изображен продольный разрез водопропускного сооружения.
max
max
Водопропускное сооружение включает водопропускную трубу 1, расположенную в дорожной насыпи 2 на фундаменте 3, устроенном на вечномерзлом грунте 4 в условиях снегозаноса 5, оболочек 6, выполненных соразмерно концевым звеньям водопропускной трубы, соосно размещенных и консольно закрепленных на концевых звеньях трубы 1, с помощью болтовых соединений или сваркой арматурных выпусков (на черт, не показано) и смонтированных с зазором 7 относительно грунтов основания дорожной насыпи 2. Длина оболочек выбирается из условия: L=h+К, где h - максимальная высота снегозаноса, м; К - эмпирическое число, определенное опытным путем, равное 0,5 м и более.
Эмпирическое число получено на основании наблюдений Тындинской мерзлотной станцией в течение 10 лет за состоянием водопропускных сооружений, эксплуатируемых на БАМ на перевальных участках. Наблюдениями установлено, что для создания «продуха» в водопропускном сооружении требуется раскопка снега при максимальной высоте снегозаноса на глубину не менее 50 см.
Водопропускное сооружение возводят в следующем порядке.
В дорожной насыпи 2 на вечномерзлом грунте 4 укладывают фундамент 3. Далее монтируют звенья 1 водопропускной трубы. По окончании монтажа всех звеньев 1 трубы к концевым ее участкам жестко прикрепляют оболочки 6, из тонкостенного железобетона. При этом между оболочками 6 и грунтом основания насыпи 2 образуют зазор 7 для исключения воздействия на нее сил морозного пучения при промерзании грунта в зимний период. Затем производят мощение русла каменной наброской 8 или укрепительными плитами, а затем возводят насыпь 2 и проезжее полотно.
Использование предлагаемой конструкции водопропускного сооружения позволяет за счет оболочек 6, соосно установленной с водопропускной трубой 1, и рассчитанной для максимального снегозаноса, позволяет обеспечить «продух» 10 и постоянное поступление холодного воздуха внутрь трубы 1. При этом обеспечивается сохранение мерзлого грунта 4 не только внутри трубы 1, но и на концевых звеньях. С наступлением весеннего периода до оттаивания снега в суточном цикле ночью воздух более холодный, чем днем, поступает в полость трубы 1, застаивается в ней за счет плотной стратификации. В результате охлаждающего действия с учетом затеняющего эффекта оболочки 6, уменьшающей солнечную радиацию, на внутренней поверхности нижней части трубы 1 формируются отрицательные среднегодовые температуры.
За счет этого чаша многолетнего протаивания 9 образуется у основания откосов дорожной насыпи 2 вне пределов водопропускной трубы 1. Следовательно, ее подошва в годовом цикле будет опираться на мерзлый грунт 4, что исключает возможность проявления нормальных сил пучения и тепловых просадок грунтов основания и тем самым обеспечивает высокую устойчивость и эксплуатационную надежность предлагаемого водопропускного сооружения, построенного в дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах. Чаша многолетнего протаивания 9 будет образовываться в зоне размещения снегозащитной оболочки 6, установленной с зазором 7 над поверхностью грунта основания, за пределами водопропускной трубы 1. В таком случае оболочка 6 не подвергается действию сил морозного пучения, что сохраняет ее работоспособность в течение длительного периода эксплуатации.
В районах вечной мерзлоты с повышенной снегозаносимостью снегоотложения у дорожной насыпи крайне неравномерны. Основная площадка дорожной насыпи большей частью оказывается оголенной от снега, а наибольшая толщина снежного покрова находится в нижней части откоса насыпи.
Применение водопропускного сооружения, принятого за прототип, в районах вечной мерзлоты и повышенной снегозаносимости, как правило, не обеспечивает их требуемой эксплуатационной надежности. В результате отверстия труб при снегозаносе у ее оголовков большую часть зимы перекрыты снегом, что исключает проникновение холодного воздуха в полость водопроводной трубы.
Поэтому среднегодовые температуры внутренней ее поверхности повышаются до положительных значений, особенно на концевых участках трубы, где сказывается отепляющее действие солнечной радиации. В связи с чем, под водопропускной трубой образуется чаша многолетнего протаивания, в пределах которой оказываются фундаменты трубы, прежде всего на концевых ее звеньях. В таких условиях в зимний период возникают нормальные силы морозного пучения, а в летний период образуются тепловые просадки грунта  основания насыпи, и в том и другом случае нарушается целостность соединения звеньев трубы, водопропускная труба подвергается деформированию.
Заявляемая конструкция водопропускного сооружения значительно проще в сравнении с прототипом, при сохранении требуемого уровня эксплуатационной надежности, что способствует увеличению срока эксплуатации и отпадает необходимость проведения регулярного технического контроля за его состоянием.