Способ защиты мерзлого основания насыпи дорожного полотна от негативного влияния обводнения
METHOD FOR PROTECTION OF FROZEN BASE OF EMBANKMENT FROM NEGATIVE IMPACT OF FLOODING

При строительстве в северных регионах неглубокие, протяженные в одном направлении, либо в плане, водоемы достаточно часто возникают на равнинных участках местности вблизи насыпных сооружений [1-4] и существуют длительное время, оказывая неконтролируемое негативное воздействие на грунты мерзлого основания. Причиной обводнения могут быть недостатки проектирования и строительства водосборных и водопропускных сооружений объекта строительства.
Основным техническим мероприятием по устранению негативного влияния обводнения в настоящее время являются специальные водоотводные решения и ремонтно-восстановительные работы уже существующих водоотводных и водопропускных сооружений, а также строительство новых. При этом эффективность этих работ оказывается низкой и требует выполнения дополнительных работ по укреплению основания дорожного полотна [5-7]. В итоге, этот способ устранения негативного влияния обводнения оказывается малоэффективным и весьма трудозатратным.
m
m
В работе [8] показано, что изменение температуры многолетнемерзлых грунтов (на глубине нулевых амплитуд) под неглубокими водоемами (глубиной до 1 метра) существенно зависит от условий перемешивания слоя воды в летнее время года. Этот результат поясняет Фиг. 1, на котором приведены результаты расчета этой температуры t в зависимости от глубины водоема h. В отсутствии техногенного водоема (при h=0 м) естественная температура грунта t=-2°С. При полном перемешивании (за счет ветрового воздействия и естественно-конвективного движения) температура грунта монотонно растет с увеличением глубины водоема (кривая 1). Если же в летнее время возникают условия, препятствующие перемешиванию водного слоя, то существует диапазон глубин водоема, при которых слой воды оказывает охлаждающее влияние на подстилающие грунты (кривая 2). Можно, однако, видеть, что и в диапазоне глубин, при которых происходит разогрев грунта в отсутствии перемешивания (h>0,5 м), температура грунта остается существенно ниже, чем в случае перемешивания воды летом. Условия, препятствующие перемешиванию воды, могут возникать по естественным причинам - например, при зарастании водоема болотной растительностью или его заиливании путем обогащения органо-минеральным веществом, привносимым ветровым путем или сплывами со склонов. Этим объясняются известные факты затухания процесса термокарста при зарастании термокарстовых озер на начальной стадии развития этого процесса (что соответствует снижению теплопотока в льдистое основание), или охлаждающего влияния заболоченных участков (включающих значительную долю органо-минеральной компоненты) на температурный режим подстилающих грунтов [9-11].
Предлагается способ снижения трудозатрат и повышения эффективности защиты мерзлого основания насыпи.
Предотвратить перемешивание неглубокого водоема в летнее время года возможно чисто техническими средствами. Это возможно выполнить в ограниченной области водоема, прилегающей к откосам насыпи применением одним из следующих мероприятий: а) искусственным засевом болотными травами (в отличие от засева откосов полевыми видами для их укрепления); б) подсыпкой органо-минерального материала в необходимом количестве (например, заторфованным грунтом или торфом); в) размещением в этой зоне специальных легких сетчатых (или ячеистых) конструкций (например, в виде матов из тонких пластмассовых нитей или натуральных волокон). При необходимости маты могут быть закреплены ко дну водоема анкерными штырями. Возможно применение различных сочетаний мероприятий (вариантов способа), указанных в пунктах а)-в).
Основными требованиями к заполняющему водоем каркасу являются: достаточно высокая влагоемкость (обеспечивающая необходимые затраты тепла на оттаивание в летнее время) и образование в воде жесткой или вязкой структуры, препятствующей перемешиванию воды под действием ветра и естественной конвекции. Ширина прилегающей к откосам области водоема В, которая подлежит применению необходимых мероприятий, должна определяться расчетом, а технически ограничение может быть выполнено отсыпкой валика из глинистого материала по внешней границе этой области в зимнее время года (после промерзания водоема). Предварительные расчеты показывают, что ширина В для водоема глубиной до 0,5 м не превышает 5-7 метров.
Засев ограниченной области водоема болотными травами производят по любой известной технологии.
Способ защиты мерзлого основания насыпи дорожного полотна торфяной подсыпкой поясняет Фиг. 2. Первый этап защиты основания насыпи 1 и ее откоса 2 заключается в отсыпке валика из глинистого материала 3 по льду промерзшего водоема 4, отсекающего прилегающую к насыпи часть водоема заданной ширины В (определяемую расчетом), после чего осуществляют отсыпку торфа 5 по поверхности льда в пределах прилегающей к насыпи области на ширину В. По мере оттаивания льда в теплое время года глинистый валик и торфяной слой ложатся на дно водоема 6. Торфяной слой 5 препятствует перемешиванию водного слоя в летнее время года, что приводит к значительному повышению положения подошвы слоя сезонного протаивания 7 вблизи откосов насыпи 2 и в ее основании, а также к понижению температуры мерзлого основания в сравнении с условиями, существовавшими до возникновения техногенного водоема.
Использование искусственных матов поясняется Фиг. 3. Первый этап защиты основания насыпи 1 и ее откоса 2 заключается в отсыпке валика из глинистого материала 3 по льду промерзшего водоема 4, отсекающего прилегающую к насыпи часть водоема заданной ширины В (определяемую расчетом). Укладку матов 5 в пределах выделенной полосы шириной В осуществляют в летнее время послойно до необходимой высоты (минимально превышающей уровень поверхности водоема) с помощью малых плавсредств, либо перемещением по дну пешим способом в болотных сапогах. По мере оттаивания льда в теплое время года глинистый валик ложится на дно водоема 6. Слой матов 5 препятствует перемешиванию водного слоя в летнее время года, что приводит к значительному повышению подошвы слоя сезонного протаивания 7 вблизи откосов насыпи 2 и в ее основании, а также к понижению температуры мерзлого основания в сравнении с условиями, существовавшими до возникновения техногенного водоема.
В результате использования способа повышается надежность конструкции насыпи при сокращении низкоэффективных и трудоемких операций по реконструкции и ремонту существующих водосборных и водопропускных сооружений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гребенец В.И., Исаков В.А. Деформации автомобильных и железных дорог на участке Норильск - Талнах и методы борьбы с ними // Криосфера Земли, т. XX, №2, 2016, с. 69-77.
2. Дыдышко П.И. Деформации земляного полотна железнодорожного пути и их устранение в условиях вечной мерзлоты // Криосфера Земли, т. XXI, №4, 2017, с. 43-57.
3. Воронцов В.В., Краев А.Н., Игошин М.Е. Стабилизация критических деформаций земляного полотна автомобильной дороги в криолитозоне // Вестник СибАДИ, вып. 6 (40), 2014, с. 67-72.
4. Кондратьев С.В. Деформации Забайкальской части федеральной автомобильной дороги "Амур" Чита-Хабаровск на участках льдистых многолетнемерзлых грунтов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.г.-м.н., Иркутск, 2016, 22 с.
5. Литовко А.В. Геокриологические условия пород "ледового комплекса" и их воздействие на ж/д АЯМ "Беркакит-Томмот-Якутск" // Материалы международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению. ООО НПО "Фундаментстройаркос", Тюмень, 2011, с. 386-390.
6. Дыдышко П.И. Деформации земляного полотна железнодорожного пути и их устранение в условия вечной мерзлоы // Криосфера Земли, т. XXI, №4, 2017, с. 43-57;
7. Андриянов А.И. Железная дорога на "вечной" мерзлоте. // Материалы международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению. ООО НПО "Фундаментстройаркос", Тюмень, 2011, с. 77-79.
8. Горелик Я.Б., Земеров И.В. Влияние поверхностного обводнения на температурный режим мерзлых грунтов // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2020. Т. 6, №1 (в печати).
9. Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст, Новосибирск, Наука, 1988, 213 с.
10. Фельдман Г.М. Термокарст и вечная мерзлота, Новосибирск, Наука, 1984, 262 с;
11. Павлов А.В. Мониторинг криолитзоны, Новосибирск, ГЕО, 2008, 230 с;
12. Достовалов Б.Н., Кудрявцев В.А. Общее мерзлотоведение. М., МГУ, 1967, 403 с.