ВОДОПРОПУСКНОЕ СООРУЖЕНИЕ ПОД НАСЫПЬЮ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ НА ПЕРИОДИЧЕСКИ ДЕЙСТВУЮЩЕМ ВОДОТОКЕ
CULVERT UNDER BANKED EARTH IN CONDITIONS OF PERMANENTLY FROZEN GROUNDS IN PERIODIC WATER COURSE

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при строительстве или реконструкции насыпи линейного сооружения с устройством водопропускных сооружений при пересечении малорасходных, преимущественно периодического действия водотоков в условиях многолетнемерзлых грунтов.
Известно водопропускное сооружение под насыпью, содержащее бетонную трубу с двумя расположенными один над другим каналами. При этом нижний канал является малорасходным и предназначен для пропуска грунтовой воды, способной образовать в верхнем высокорасходом канале наледь. При этом нижний канал может быть заполнен фильтрующим грунтом [1] или быть свободным [2].
Недостатком такого водопропускного сооружения являются высокие затраты на создание бетонной трубы, особенно в суровых климатических условиях и в отдаленных районах. При этом выполнение нижнего канала под днищем верхнего канала при многолетнемерзлых грунтах основания нетехнологично, а его близость к полости верхнего канала в холодный период года может привести к промерзанию нижнего канала, что усложняет эксплуатацию водопропускного сооружения [3].
Дополнительно, в подавляющем большинстве случаев повреждения водопропускных сооружений связаны с воздействием потока воды и обычно начинаются на выходных участках [4, с.235], а в условиях многолетнемерзлых грунтов особенно. При этом основным способом сопряжения выходящего из трубы потока воды является его свободное растекание по длинному раструбному креплению [4, с.235-239]. При такой конструкции выходного участка сооружения скорость воды на выходе из трубы практически не изменяется даже при многократном уменьшении расхода. Поэтому выходной участок сооружения обычно имеет большую протяженность, постоянно работает в условиях высоких скоростей воды и недостаточно эффективно осуществляет гашение энергии потока.
Известно водопропускное сооружение под насыпью, высокорасходная труба которого собрана из металлических гофрированных листов и сопряжена посредством выполненной из несвязных грунтов подушки и обоймы с основанием и насыпью [5].
Недостатки такого сооружения с металлической гофрированной трубой заключаются в следующем:
- соединение металлических гофрированных листов между собой осуществлено водопроницаемо, что может привести к вымыванию грунта из подушки и обоймы, а также к размораживанию многолетнемерзлых грунтов на недопустимую величину как в основании высокорасходной трубы, так и в основании выходного участка сооружения;
- в холодный период года низкотемпературная грунтовая вода, проникшая в высокорасходную трубу с верховой стороны через ее входной оголовок и с боков через ее водопроницаемые стенки, может образовать в трубе наледь, что, особенно в условиях сильной снегозаносимости местности, усложнит пропуск через сооружение весенних паводков и, как крайний случай, может сделать пропуск паводков невозможным;
- насыщенный водой грунт подушки может при промерзании проявить пучинистые свойства, что при отсутствии средств вывода из нее воды приведет к ежегодному накоплению выпучивания высокорасходной трубы со всеми вытекающими из этого негативными и высокозатратными при устранении инженерно-техническими и эксплуатационными последствиями.
Указанные недостатки обуславливают недостаточную надежность такого сооружения и высокие затраты средств на его возведение и эксплуатацию. При наличии же на водотоке наледеобразования применение гофрированных труб допускается только с отверстием не менее 5 м, причем в комплексе с противоналедными мероприятиями при гарантии их надежной эксплуатации [6, п.1.1.3], что ограничивает область их применения. Однако известные противоналедные средства или недостаточно эффективны, или высокозатратны, при этом они не выполняют ни какую другую функцию, повышающую эффективность водопропускного сооружения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности, расширение области использования, упрощение эксплуатации водопропускного сооружения и экономия средств.
Технический результат от использования изобретения заключается:
- в предотвращении проникновения наледной воды в высокорасходную трубу и заполнения ее наледью в холодный период года;
- в вовлечении противоналедного средства в работу для повышения надежности концевого участка сооружения;
- в предотвращении размораживания многолетне мерзлых грунтов в основании сооружения на недопустимую величину;
- в предотвращении скопления во вмещающем высокорасходную трубу грунте воды, способной при ее замерзании вызвать морозное выпучивание этой трубы в холодный период года;
- в повышении эффективности гашения энергии потока воды на выходном участке сооружения.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что водопропускное сооружение под насыпью в условиях многолетнемерзлых грунтов на периодически действующем водотоке содержит высокорасходную трубу с входным оголовком, обеспечивающую пропуск расходов в теплое время года, выходной участок и, по меньшей мере, две малорасходные трубы. Эти малорасходные трубы выполнены цельными из металла, расположены по бокам высокорасходной трубы на расстоянии от высокорасходной трубы и на уровне ее подошвы или ниже. Малорасходные трубы снабжены прикрепленным к ним водоприемником, расположенным в фильтрующем водосборнике перед входным оголовком высокорасходной трубы, и обеспечивают в холодное время года самотечный пропуск грунтовых вод, способных в пределах сооружения образовать наледь. Выходной участок включает колодец, по меньшей мере, дно и водобойная стенка колодца выполнены из связанных между собой габионов. Малорасходные трубы в пределах колодца расположены на его дне, а концы малорасходных труб выведены за пределы колодца. Габионы водобойной стенки с верховой стороны, по отношению к направлению потока воды, примыкают к жесткому поперечному элементу, прикрепленному к малорасходным трубам и передающему с водобойной стенки на эти трубы продольную нагрузку от потока воды.
Дополнительно:
- водоприемник выполнен в виде перфорированной трубы, расположенной поперек водотока;
- габионы представляют собой заполненные каменным материалом сетчатые металлические корзины прямоугольной формы;
- габионы дна колодца расположены на водонепроницаемой мембране, выполненной в виде полимерной пленки, заключенной в геотекстиль;
- в случае выполнения высокорасходной трубы из металлических гофрированных листов, малорасходные трубы в пределах насыпи содержат перфорацию, при этом фильтрующий водосборник содержит геотекстильное полотно, которое накрывает сверху водоприемник малорасходных труб.
Сущность технического решения заключается прежде всего в том, что водопропускное сооружение содержит: во-первых, две малорасходные трубы, которые расположены по бокам и на расстоянии от высокорасходной трубы, что в холодный период года надежно предотвращает проникновение наледной воды в высокорасходную трубу; во-вторых, жесткий поперечный элемент, который прикреплен к малорасходным трубам и к которому с верховой стороны примыкают габионы водобойной стенки колодца, что обеспечивает передачу продольную нагрузку от потока воды с водобойной стенки на эти трубы, удерживаемые насыпью и водоприемником; в-третьих, колодец с водобойной стенкой, который эффективно осуществляет гашение энергии потока воды, при этом практически не влияет на максимальную пропускную способность высокорасходной трубы, но существенно за счет подпора снижает скорость потока воды на выходе его из трубы при меньших расходах.
Дополнительно, выполнение колодца из габионов и расположение дна колодца на водонепроницаемой мембране обеспечивает гибкость конструкции колодца и предотвращает размораживание многолетне мерзлых грунтов на недопустимую величину. Это повышает надежность выходного участка, особенно в условиях многолетнемерзлых грунтов.
Сравнение предложенного решения с другими известными техническими решениями показывает: во-первых, малорасходные трубы конструктивно выполнены по новым правилам и они посредством жесткого поперечного элемента включены в работу стенок колодца: водобойной и боковых; во-вторых, водонепроницаемая мембрана в основании выходного участка не встречается в водопроводящих сооружениях под насыпью на многолетнемерзлых грунтах. Именно эти новые признаки обеспечивают в предложенном техническом решении новый технический результат. Все это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения, как критерию «Новизна» так и критерию «Изобретательский уровень».
Изобретение поясняется примером, в котором высокорасходная труба сооружения собрана из металлических гофрированных листов (далее: гофрированная труба) и который иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5:
на фиг.1 изображено водопропускное сооружение, план;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2;
на фиг.4 - малорасходные трубы, схема конструкции;
на фиг.5 - разрез С-С на фиг.2;
на фиг.6 - узел I на фиг.2.
Водопропускное сооружение возведено на многолетнемерзлом основании 1 периодически действующего водотока 2 в прогале 3 насыпи 4, выполненной из местных грунтов и промерзающей при эксплуатации до многолетнемерзлого состояния. Водопропускное сооружение содержит высокорасходную гофрированную трубу 5 с входным оголовком 6, посредством подушки 7 и обоймы 8 сопряженную с основанием 1 и насыпью 4, и выходной участок 9.
Водопропускное сооружение также содержит две малорасходные трубы 10, которые выполнены цельными из металла, расположены в подушке 7 по одной сбоку от гофрированной трубы 5 на расстоянии 1,5-2,0 метра от нее. Эти малорасходные трубы 10 перфорированы в пределах центральной части насыпи 4 и снабжены общим водоприемником 11, расположенным перед входным оголовком 6 в фильтрующем водосборнике 12. Подушка 7 и обойма 8 и снизу и с боков заключены до заданного уровня 13 в общую водонепроницаемую мембрану 14, а вблизи низового откоса 15 насыпи 4 они до заданного уровня 13 перегорожены диафрагмой 16, выполненной из фильтрующего геотекстильного полотна и сопряженной с мембраной 14. Заданный уровень 13 обычно равен расчетному уровню воды 17 перед насыпью 4 или несколько ниже его.
Фильтрующий водосборник 12 содержит фильтрующее геотекстильное полотно 18, которое накрывает сверху водоприемник 11 малорасходных труб 10. Вблизи верхового откоса 19 насыпи 4 и до расчетного уровня 17 подушка 7 и обойма 8 перегорожены дополнительной диафрагмой 20, выполненной также из фильтрующего геотекстильного полотна. Водоприемник 11 выполнен в виде перфорированной трубы 21, расположенной поперек водотока 2, прикреплен к малорасходным трубами 10 и гидравлически сообщен с ними.
Подушка 7 и фильтрующий водосборник 12 выполнены в русловом талике 22 (сезонное оттаивание-замерзание). Подушка 7 выполнена из гравия крупностью 5-50 мм, обойма 8 - из песчано-гравийного, щебенисто-галечникового или дресвяно-гравийного, не содержащего обломков размером более 50 мм грунта. При необходимости (устанавливается расчетом по известным математическим формулам) подушка 7 покрывается фильтрующим геотекстильным полотном 23, сопряженным с мембраной 14.
Выходной участок 9 включает колодец 24, в котором дно 25, водобойная стенка 26 и боковые стенки 27 выполняются из связанных между собой проволокой габионов 28, образующих цельную гибкую габионную конструкцию колодца 24 (фиг.5 и 6).
В пределах колодца 24 малорасходные трубы 10 расположены на дне 25 колодца 24, по одной у каждой его боковой стенки 27, и скреплены с прилегающими к ним габионами 28 дна 25 водобойной стенки 26 и боковой стенки 27. При этом каждая малорасходная труба 10 теплоизолирована тем, что она коаксиально помещена в скрепленную с ней теплоизолирующую трубу 29 с образованием кольцевого зазора 30, заполненного теплоизоляционным материалом 31 и герметизированного (фиг.5), а концы этих теплоизолированных малорасходных труб 10 выведены за пределы колодца 24 (фиг.6).
Габионы 28 водобойной стенки 26 с верховой стороны, по отношению к направлению потока воды, примыкают к жесткому поперечному элементу 32, который посредством элементов 33 враспор прикреплен к теплоизолированным малорасходным трубам 10.
о
расч г
Каждый габион 28 представляет собой заполненную каменным материалом 34 сетчатую металлическую корзину 35 прямоугольной формы. Габионы 28 дна 25 и боковых стенок 27 колодца 24 заключены в водонепроницаемую мембрану 36, которая, как и мембрана 14, выполнена в виде полимерной пленки 37, заключенной в геотекстиль 38. При этом расчетный диаметр водопроводящих отверстий в геотекстильном полотне может быть ограничен условием D ≤0,1 мм.
Мембрана 14 и 36 может быть выполнены на иной основе, например, вместо полимерной пленки она может содержать слой бентонитовой глины. Необходимость выполнения защитного слоя и его конструкция (слой на чертежах не изображен) между этими водонепроницаемыми мембранами и габионами 28 и/или основанием 1 устанавливается проектом.
Изготовление габионов 18 и выполнение из них кладки осуществляют в соответствии со стандартами [7, 8].
На чертежах имеются и другие обозначения:
39 и 40 - максимально высокое положение поверхности водонасыщения обоймы в случае работы малорасходной трубы соответственно в напорном или в безнапорном режиме
41 - рисберма
42 - дополнительный поперечный элемент
43 - анкерный элемент
44 - дополнительная перфорированная труба (водоприемника)
45 - крепление матрасно-тюфячными габионами
46 - максимальный уровень воды в гофрированной трубе
47 - локальные габионы высотой 0,5 м
48 - задняя стенка (колодца)
49 - присыпка (колодца)
50 - продольные щели (перфорация труб)
51 - заглушки с перфорацией
Сооружение работает следующим образом.
В теплый период года расчетный поверхностный сток при уровне воды 17 перед насыпью 4 беспрепятственно пропускается по гофрированной трубе 5 и частично по малорасходным трубам 10. Одновременно с этим через водопроницаемые стенки гофрированной трубы 5 и фильтрующую подушку 7 происходит насыщение водой обоймы 8. При этом мембрана 14 предотвращает проникновение напорной воды в мерзлые грунты основания 1 и насыпи 4, что в существенной мере замедляет процесс оттаивания этих грунтов в теплый период года. Мембрана 14 не препятствует восстановлению мерзлоты в холодный период года, а диафрагмы 16 и дополнительная 20 предотвращает вынос грунтов из подушки 7 и обоймы 8. Одновременно за счет кольматации грунта перед диафрагмами 16 и 20 естественным путем происходит превращение этих противосуффозионных диафрагм в противофильтрационные диафрагмы.
При работе в теплый период года малорасходных труб 10 в напорном режиме в обойме 8 устанавливается максимально высокое положение поверхности водонасыщения 39 - на фиг.3 эта поверхность показана пунктиром. Предпочтительным является постоянно безнапорный режим в малорасходных трубах 10, при котором они работают в дренирующем (водоприемном) режиме и при котором в обойме 8 устанавливается более низкое положение поверхности водонасыщения 40. Такой режим обеспечивается тем, что существенно ограничивается поступление сверху поверхностного стока в водоприемник 11 за счет кольматации грунта перед геотекстильным полотном 18, а в подушку 7 за счет кольматации грунта перед геотекстильным полотном дополнительной диафрагмы 20.
Кинетическая энергия вытекающего из гофрированной трубы 5 бурного потока эффективно, с созданием подпора, гасится на выходном участке 6 сооружения, причем большей частью в колодце 24 и меньшей частью на рисберме 41. В колодце 24 воздействие потока воды на водобойную стенку 26 посредством поперечно элемента 32 передается на малорасходные трубы 10, которые от смещения удерживаются насыпью 4 и водоприемником 11. Дополнительно, малорасходные трубы 10, распертые поперечным элементом 32 и дополнительным поперечным элементом 42 (фиг.4), воспринимают боковое давление грунта, передаваемое на них боковыми стенками 27, что повышает устойчивость этих стенок 27. При необходимости боковые стенки 27 могут быть снабжены анкерными элементами 43 (фиг.5).
Теплоизолированные малорасходные трубы 10 скреплены с прилегающими к ним габионами 28 дна 25, водобойной стенки 26 и боковых стенок 27 и работают с ними совместно. Это усиливает габионную конструкцию колодца 24 и повышает его надежность, следовательно, и сооружения в целом.
С наступлением холодного периода года перфорированные малорасходные трубы 10 обеспечивают пропуск грунтовой потенциально наледной воды в сосредоточенном виде и отводят такую воду из подушки 7 и обоймы 8, просочившуюся в них из гофрированной трубы 5 в теплый период года, за пределы сооружения. Это предотвращает образование в гофрированной трубе 5 наледи. Дополнительно, перфорированные малорасходные трубы 10 могут рассматриваться как «геокриологический» дренаж, предотвращающий образование криогенных (в том числе подъемного действия) нагрузок на гофрированную трубу 5.
В холодный период года происходит постепенное прекращение стока грунтовых вод, а трубы 21 и 44 в фильтрующем водосборнике 12 промерзают, избыточная вода, в случае нахождения ее в этих трубах, выдавливается из них через перфорацию. Одновременно с этим вокруг гофрированной трубы 5 происходит промерзание грунтов подушки 7 и обоймы 8. Однако это не является опасным, так как вода из них отводится перфорированными малорасходными трубами 10, которые расположены на расстоянии от гофрированной трубы 5 и которые, если и промерзают, то только в конце холодного периода года, когда они гарантированно находятся в опорожненном состоянии.
3
В описанном примере водопропускного сооружения диаметр гофрированной трубы 5 принят 4,0 м, размеры габионов 18 приняты 1×1×2 м. Такое сооружение может пропустить под насыпью расход до 70 м/с.
Предложенная конструкция водопропускного сооружения под насыпью, в которой посредством малорасходных труб предотвращено образование наледи в высокорасходной трубе и ее морозное выпучивание (независимо от конструкции высокорасходной трубы) при одновременном вовлечении малорасходных труб в работу концевого участка сооружения. Дополнительно, посредством водонепроницаемых мембран обеспечено сохранение под сооружением многолетнемерзлых грунтов в естественном состоянии. Все это повышает надежность, расширяет область использования и упрощает эксплуатацию водопропускного сооружения при одновременной экономии средств, особенно при использовании гофрированных труб, получивших широкое применение.
Источники информации
1. Водопропускные трубы для железных и автомобильных дорог при расчетной температуре -40°С и ниже, глубоком сезонном промерзании и наледях. Типовые конструкции 3.501-65: Прямоугольные бетонные трубы. Вып.III. Минтрансстрой, Главпроект, с.58-59.
2. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями / Воронежский инж. строит, ин-т. - М.: Транспорт, 1989.
3. Авторское свидетельство СССР №1548311, кл. E01F 5/00, опубл. 07.03.90.
4. Проектирование автомобильных дорог: Справочник инженера-дорожника. / Под ред. Г.А.Федотова. - М.: Транспорт, 1989. С.235.
5. Инструкция по проектированию и постройке металлических гофрированных водопропускных труб: ВСН 176-78. Минтрансстрой СССР. - М., 1979.
6. Методические рекомендации по применению металлических труб большого диаметра в условиях наледеобразования и многолетнемерзлых грунтов (для опытно-экспериментального строительства) /ФГУП «Союздорнии». - М., 2003. Приняты и введены в действие распоряжением Министерства транспорта Российской Федерации от 25.08.2003.
7. ГОСТ Р 52132-2003 Изделия из сетки для габионных конструкций. Технические условия.
8. ГОСТ Р 51285-99 Сетки проволочные крученые с шестиугольными ячейками для габионных конструкций. Технические условия.
Обозначения
1 - многолетнемерзлое основание (далее: основание)
2 - периодически действующий водоток (далее: водоток)
3 - прогал
4 - насыпь
5 - гофрированная труба
6 - входной оголовок
7 - подушка
8 - обойма
9 - выходной участок
10 - малорасходная труба
11 - водоприемник
12 - фильтрующий водосборник
13 - заданный уровень (мембраны, диафрагмы)
14 - водонепроницаемая мембрана (то же: мембрана)
15 - низовой откос (насыпи)
16 - диафрагма (вблизи низового откоса)
17 - уровень воды (перед насыпью)
18 - геотекстильное полотно (фильтрующего водосборника)
19 - верховой откос
20 - дополнительная диафрагма (вблизи верхового откоса)
21 - перфорированная труба (водоприемника)
22 - русловой талик (сезонное оттаивание - замерзание)
23 - геотекстильное полотно
24 - колодец (выходного участка)
25 - дно (колодца)
26 - водобойная стенка(колодца)
27 - боковые стенки (колодца)
28 - габионы
29 - теплоизолирующая труба (фиг.4)
30 - кольцевой зазор
31 - теплоизоляционный материал (фиг.5)
32 - поперечный элемент
33 - элемент (крепления)
34 - каменный материал (габиона)
35 - корзина (габиона)
36 - водонепроницаемая мембрана (колодца)
37 - полимерная пленка (мембраны)
38 - геотекстиль (мембраны)
39 и 40 - максимально высокое положение поверхности водонасыщения обоймы в случае работы малорасходной трубы соответственно в напорном или в безнапорном режиме
41 - рисберма
42 - дополнительный поперечный элемент
43 - анкерный элемент
44 - дополнительная перфорированная труба (водоприемника)
45 - крепление матрасно-тюфячными габионами
46 - максимальный уровень воды в гофрированной трубе
47 - локальные габионы высотой 0,5 м
48 - задняя стенка (колодца)
49 - присыпка (колодца)
50 - продольные щели (перфорация труб)
51 - заглушки с перфорацией.