ВОДОПРОПУСКНОЕ СООРУЖЕНИЕ ПОД НАСЫПЬЮ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ НА ПЕРИОДИЧЕСКИ ДЕЙСТВУЮЩЕМ ВОДОТОКЕ
CULVERT IN CONDITIONS OF PERMANENTLY FROZEN SOILS ON PERIODIC WATER COURSE

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при строительстве или реконструкции насыпи линейного сооружения с устройством водопропускных сооружений в условиях многолетнемерзлых грунтов при пересечении малорасходных, преимущественно периодически действующих водотоков.
Известны водопропускные сооружения в виде труб с отверстиями круглого, прямоугольного или овального сечения и с размерами до 4-5 метров [1].
Недостатками таких водопропускных сооружений являются их высокая стоимость и недостаточная надежность, так как жесткость труб негативно влияет на их работу. При слабых грунтах основания, особенно при протаивании многолетнемерзлых грунтов и последующем их сезонном промерзании в результате морозного пучения и осадки вокруг трубы может произойти раскрытие контакта трубы с вмещающими ее грунтами.
Для удержания талого грунта, прилегающего к таким водопропускным сооружениям, возводят подпорные стенки и оголовки, которые в настоящее время часто выполняют из габионов, представляющих собой заполненные каменным материалом сетчатые металлические корзины прямоугольной формы (Сборник типовых решений. Крепление оголовков водопропускных сооружений. Габионы Маккаферри. Приложение 1). Однако применяемые габионы не являются элементами конструкции самих труб водопропускных сооружений и они не предотвращают водопроницаемое раскрытие контакта труб со слабыми оттаявшими грунтами.
Известно водопропускное сооружение, включающее водопроводную (фильтрующую) часть, состоящую из сортированных камней заданных размеров, сопряженную с основанием и изолированную по бокам и сверху от тела насыпи полотном из геосинтетического материала (геотекстиль, дорнит и др.) [2].
Недостатки такого водопропускного сооружения заключаются в следующем:
- при длительной эксплуатации в условиях слабого при оттаивании основания за счет неравномерного провала отдельных камней и их групп может произойти неравномерная осадка фильтрующей части и, в конечном счете, недопустимые деформации насыпи;
3
- сложно обеспечить расчетную пропускную способность сооружения, а также ее ограниченность - обычно до 5 м/с [2];
- при эксплуатации сооружения происходит засорение водопроводной части вплоть до полного выхода ее из строя.
Там же [2] известно водопропускное сооружение, в котором над фильтрующей частью расположена водопропускная труба. Такое комбинированное сооружение частично свободно от 2-х последних выше указанных недостатков, однако усложняется конструкция выходного оголовка и водобоя такой высоко поднятой трубы.
Известно водопропускное сооружение, водопроводная часть которого выполнена в виде размещенных одна над другой горизонтально расположенных плит с вертикальными каналами и выступами на своих нижних поверхностях. Такие плиты имитируют фильтрующую каменную наброску, в которой созданы лабиринтные водопропускные каналы и которая сверху от тела насыпи изолирована полотном из геосинтетического материала [3].
Это водопропускное сооружение не приспособлено к работе в условиях многолетнемерзлых грунтов, так как его водопроводная часть недостаточно надежно от них изолирована, что обуславливает протаивание грунтов и соответственно интенсивный рост деформаций в виде просадок и осадок насыпи. К тому же такое сооружение не обладает достаточной гибкостью и имеет высокую стоимость из-за расходования большого объема плит.
3
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является водопропускное (водоотводящее) сооружение, в котором водопроводная (фильтрующая) часть выполнена из связанных между собой контейнеров с сортированным каменным материалом и заключена в поперечном сечении в гибкую оболочку (полотно). При этом контейнеры выполнены в виде сеток, например полипропиленовых, с ячейками 0,2×0,2 м, объемом 2,0-2,5 м. Эти контейнеры за счет связывания создают большую цельную гибкую конструкцию, что повышает устойчивость сооружения в сложных инженерно-геологических условиях [4].
Недостатки такого водопропускного сооружения заключаются в следующем:
- сложно обеспечить расчетную пропускную способность сооружения, при этом его пропускная способность остается ограниченной из-за чрезмерной сложности лабиринтных водопроводящих каналов, которые образуются между контейнерами хаотически с малыми, причем неопределенными размерами;
- при малой высоте насыпи может произойти протаивание многолетнемерзлых грунтов основания и насыпи вокруг водопроводной части сооружения;
- при большой высоте насыпи верхняя граница многолетнемерзлых грунтов может войти снизу в тело насыпи и тем самым перекрыть фильтрационный поток через насыпь;
- образование наледи перед входным оголовком водопроводной части сооружения на периодически действующем водотоке;
- при эксплуатации сооружения происходит засорение водопроводной части вплоть до полного выхода ее из строя, чему способствуют сетки контейнеров.
Эти недостатки ограничивают область применения водопропускного сооружения и снижают его надежность.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение области применения водопропускного сооружения и повышение его надежности.
Технический результат от использования изобретения заключается:
- в образовании в направлении продольной оси сооружения водопроводящих каналов с заданными в поперечном сечении размерами;
- в предотвращении протаивания многолетнемерзлых грунтов основания и насыпи вокруг водопроводной части сооружения;
- в предотвращении промерзания водопроводной части сооружения со стороны многолетнемерзлых грунтов в случае высокой насыпи;
- в предотвращении образования наледи перед входным оголовком водопроводной части сооружения;
- в предотвращении засорения водопроводной части сооружения.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что водопропускное сооружение под насыпью в условиях многолетнемерзлых грунтов содержит водопроводную часть, которая выполнена из связанных между собой габионов, заключена в поперечном сечении снизу и с боков в водонепроницаемую мембрану и теплозащитную оболочку, а сверху покрыта геотекстильным полотном, сопряженным с водонепроницаемой мембраной. С верховой стороны сооружения расположен сопряженный с многолетнемерзлыми грунтами основания противофильтрационный экран, боковые открылки которого возвышаются над уровнем воды перед сооружением. Габионы представляют собой заполненные каменным материалом сетчатые металлические корзины прямоугольной формы, по высоте расположены, по меньшей мере, в один ярус и своими рядами образуют в направлении продольной оси водопропускного сооружения, по меньшей мере, один водопроводящий канал с заданными в поперечном сечении размерами. Потолок водопроводящего канала образован габионами вышерасположенного яруса или плоским элементом, а дно - габионами нижерасположенного яруса или защитными элементами.
Дополнительно:
- водопропускное сооружение содержит, по меньшей мере, одну противоналедную трубу, которая расположена внутри водопроводной части на водонепроницаемой мембране и снабжена водоприемником, расположенным перед насыпью в фильтрующем водосборнике, при этом противоналедная труба, по меньшей мере, на участке ее вхождения в водопроводную часть сооружения перфорирована продольными щелями и снабжена теплоизоляцией;
- габионы расположены с образованием входного оголовка, который содержит водоприемную стенку с входными отверстиями водопроводящих каналов и с закрепленной на ней сороудерживающей решеткой и водоприемное покрытие;
- габионы расположены с образованием выходного оголовка и водобоя;
- по меньшей мере, в пределах крайних водопроводящих каналов первого яруса установлены распорные элементы;
- водонепроницаемая мембрана выполнена из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль;
- водоприемник выполнен в виде перфорированной трубы, причем перфорация этой трубы выполнена в виде продольных щелей;
- фильтрующий водосборник выполнен в виде подсыпки из крупнопористого материала.
Сущность технического решения заключается, прежде всего, в том, что, во-первых, водопроводная часть сооружения образована габионами и в ней расположены водопроводящие каналы с заданными в поперечном сечении размерами, что расширяет область его применения; во-вторых, водопроводная часть снизу и с боков заключена в водонепроницаемую мембрану и теплозащитную оболочку, а с верховой стороны сооружения расположен противофильтрационный экран, что предотвращает протаивание многолетнемерзлых грунтов основания и насыпи и вынос из них грунта в теплый период года; в-третьих, водопропускное сооружение содержит противоналедную трубу, которая выполнена по ранее указанным правилам и предотвращает в холодный период года образование наледи перед входным оголовком водопроводной части сооружения путем беспрепятственного пропуска наледной воды (воды, способной образовать наледь) под насыпью по противоналедной трубе.
Анализ существующей патентной и научно-технической литературы показал, что предлагаемая совокупность признаков для достижения указанного нового технического результата в настоящее время не известна, что позволяет сделать вывод о наличии как новизны, так и изобретательского уровня.
Изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-7:
на фиг.1 - общий вид сооружения, план, пример 1, водоток без наледей;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1 вдоль водопроводящих каналов;
на фиг.4 - общий вид сооружения, план, пример 2, водоток с наледями;
на фиг.5 - разрез С-С на фиг.4;
на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.4;
на фиг.7 - одноярусная водопроводная часть сооружения с одним водопроводящим каналом и противоналедной трубой, поперечный разрез.
Пример 1 (фиг.1-3). Водопропускное сооружение расположено под насыпью 1 в условиях многолетнемерзлых грунтов основания 2 на слабо выраженном периодически действующем водотоке 3 при малых уклонах местности и при отсутствии опасного образования наледи перед сооружением. Сооружение содержит водопроводную (фильтрующую) часть 4, которая выполнена из связанных между собой коробчатых габионов (далее: габионы) 5 и 6, заключена в поперечном сечении снизу и с боков в водонепроницаемую мембрану 7 и теплозащитную оболочку 8, а сверху покрыта полотном 9, выполненным из геотекстиля и сопряженным с водонепроницаемой мембраной 7. С верховой стороны сооружения расположен сопряженный с многолетнемерзлыми грунтами основания 2 противофильтрационный экран 10, боковые открылки 11 которого возвышаются над уровнем воды 12 перед сооружением. Габионы 5 и 6 представляют собой заполненные каменным материалом сетчатые металлические корзины прямоугольной формы [5] и по высоте расположены в пять ярусов.
Водонепроницаемая мембрана 7 выполнена из полимерной пленки (точнее: геомембрана гидроизоляционная полимерная рулонная), заключенной в геотекстиль, теплозащитная оболочка 8 выполнена из синтетического теплоизолятора (пенопласт, пеноплэкс, пенополистирол и другие), а полотно 9 - из геосинтетического материала, например геотекстиля (обычно нетканого), дорнита и других.
Габионы 5 имеют размеры, например: длина L=1,5 м, ширина В=1,0 м, высота Н=1,0 м, а габионы 6 - соответственно: 3,0×1,0×0,3. Габионы 5 расположены по высоте во втором и четвертом ярусах и своими рядами образуют в направлении продольной оси 13 водопропускного сооружения водопроводящие каналы 14 шириной, например, 0,25 метра. Габионы 6 представляют собой плоские прямоугольные матрацно-тюфячные габионы Рена, расположены в первом, третьем и пятом ярусах, и образуют собой соответственно постель 15 и перекрытия 16 и 17, которые, в свою очередь, образуют для каждого водопроводящего канала 14 неразмываемое дно и потолок.
Указанные размеры габионов 5 и 6 и водопроводящих каналов 8 позволяют выполнить водопроводную часть 4 с вертикальными боковыми стенками 18, образовать входной оголовок 19 с вертикальной водоприемной стенкой 20 и водоприемным покрытием 21, выходной оголовок 22 и водобой 23. В водоприемной стенке 20 выполнены входные отверстия 24 каналов 14, а на самой стенке 20 закреплена сороудерживающая решетка (сетка) 25, покрывающая всю наружную поверхность этой стенки 20.
В пределах крайних каналов 14 первого яруса установлены распорные элементы 26. Конструктивное выполнение этих распорных элементов 26 устанавливается проектом. При необходимости они могут быть установлены и в других каналах 14.
Противофильтрационный экран 10 с его открылками 11 целесообразно выполнить, как и мембрану 7, из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль.
На чертежах обозначены и другие элементы сооружения, а именно:
27 - крепление камнем;
28 - защитный слой;
29 - местный грунт;
30 - естественная поверхность основания;
31 - водобойный элемент.
Сооружение работает следующим образом.
При низких уровнях воды 12 перед входным оголовком 19 вода движется под насыпью 1 по каналам 14 и фильтрует по порам габионов 6 и 5 первого (нижнего) и второго яруса. При высоких уровнях воды 12 дополнительно в работу включаются каналы 14 третьего яруса и габионы 6 и 5 вышерасположенных ярусов. При исключительно редком максимальном уровне воды 12 в работу включаются все каналы водопроводной части 4 и все ее габионы. При этом вода входит как через водоприемную стенку 20 входного оголовка 19, так и через его водоприемное покрытие 21. Последнее обстоятельство повышает полноту наполнения потоком каналов 14 и габионов 5 и 6, а также повышает работоспособность входного оголовка 19 в условиях занесения его снежными отложениями.
При движении воды по водопроводной части 4 происходит дренирование габионов 5 и 6 каналами 14 всех ярусов. По мере приближения к выходному оголовку 22 вся вода из каналов 14 четвертого яруса габионов может профильтровать через габионы 6 третьего яруса в каналы 14 второго яруса габионов. Поэтому в случае отсутствия сороудерживающей решетки (сетки) 25 по всей длине водопроводной части 4 может произойти засорение габионов 5 и 6 мусором, вошедшим через входные отверстия 24 каналов 14.
Мембрана 7 предотвращает механическое воздействие потока воды на грунты насыпи 1 и основания 2, находящиеся в многолетнемерзлом состоянии, а теплозащитная оболочка 8 предотвращает как протаивание этих грунтов, так и в случае высокой насыпи уменьшает интенсивность промерзания водопроводной части 4 со стороны многолетнемерзлых грунтов. Полотно 9 предотвращает проникновение мелкодисперсных грунтов насыпи 1 в водопроводную часть 4 и вынос их потоком воды из сооружения. Противофильтрационный экран 10 с боковыми открылками 11 предотвращает фильтрацию воды в обход водопроводной части 4 по грунтам насыпи 1 и основания 2, способной разморозить эти грунты. Сороудерживающая решетка (сетка) 25 предохраняет водопроводную часть 4 от засорения, а энергия потока воды при выходе его из выходного оголовка 22 гасится в водобое 23, снабженном водобойным элементом 31.
Пример 2 (фиг.4-6). Водопропускное сооружение расположено под насыпью 1 в условиях многолетнемерзлых грунтов основания 2 пересеченной местности на явно выраженном периодически действующем водотоке 32 с наледями и характеризуется следующими, относительно примера 1, отличиями.
Водопроводящая часть 4 сооружения выполнена с обязательным уклоном от входного оголовка 19 к выходному 22. Водопропускное сооружение дополнительно содержит противоналедную трубу 33, которая расположена внутри водопроводной части 4 на водонепроницаемой мембране 7 между прилегающими к ней габионами 6 и с образованием дополнительных водопроводящих каналов 34 в третьем и пятом ярусе. Канал 34 в пятом ярусе перекрыт плоским элементом 35. Противоналедная труба 33 снабжена водоприемником 36, расположенным перед насыпью в фильтрующем водосборнике 37, а при вхождении во входной оголовок 19 - перфорацией и теплоизоляцией 38. Водоприемник 36 представляет собой перфорированную дополнительную трубу 39, а фильтрующий водосборник 37 - подсыпку 40 из крупнопористого грунтового материала. Перфорация противоналедной трубы 33 и дополнительной трубы 39 выполнена в виде продольных щелей 41. К входному оголовку 19 с его сторон примыкают боковые канавы 42, обозначенные на фиг.4 стрелками и которые осуществляют продольный отвод воды от насыпи 1.
Противоналедная труба 33 выполняется стальной или из более деформативного материала, например пластмассы. Величина участка этой трубы 33, содержащая теплоизоляцию 38, устанавливается проектом и, как крайний случай, противоналедная труба 33 может быть покрыта теплоизоляцией по всей длине.
Дополнительно, позициями 43, 44 и 45 обозначены линии тока воды, соответственно, весенней, летней и зимней, потенциально способной образовать наледь, позицией 46 - граница протаивания многолетнемерзлых грунтов основания 2 в месте подсыпки 40, позицией 47 - сезоннопротаивающий слой склона 48, а позицией 49 - расчетный уровень снежных отложений.
Сооружение работает следующим образом.
В теплый период года расчетный поверхностный сток беспрепятственно, как и в примере 1, пропускается под насыпью по водопроводной части 4. При этом низкотемпературная весенняя паводковая вода 43 проходит преимущественно по поверхности промерзшей в холодный период года подсыпки 40, а летняя вода 44 проходит непосредственно через постепенно протаивающую подсыпку 40 и в ней охлаждается. Поэтому низкотемпературные воды теплого периода при прохождении по водопроводной части 4, изолированной мембраной 7 и теплозащитной оболочкой 8 от грунтов насыпи 1 и основания 2, также не оказывают существенного влияния на температурный режим этих грунтов. При этом малорасходный сток пропускается преимущественно противоналедной трубой 33 сосредоточенно и при весьма малой величине протаивания под ней грунта, образующего локальный сезоннопротаивающий слой.
С наступлением холодного осенне-зимнего периода года низкотемпературная грунтовая вода 45 поступает из сезоннопротаивающего слоя 47 склона 48 в относительно прогретый в теплый период года водосборник 37. Поэтому противоналедная труба 33 сосредоточенно и беспрепятственно пропускает эту подогретую воду 45 под насыпью 1, что предотвращает образование перед входным оголовком 19 наледи и закупорку льдом водопроводной части 4.
В холодный период года происходит постепенное прекращение стока грунтовой воды 45 и промерзание водопроводящей части 4, ее водосборника 37 и противоналедной трубы 33 с дополнительной трубой 39. Промерзание труб 33 и 39 происходит при их опорожненном состоянии, а наличие теплоизоляции 38 и продольных щелей 41 дополнительно предохраняет их от повреждения медленно замерзающей водой.
В случае полного занесения входного оголовка 19 снегом 49 первая весенняя вода 43 поступает в водопроводную часть 4 сооружения через водопроницаемое крепление камнем 27 и через водоприемное покрытие 21, что обеспечивает быстрое освобождение входного оголовка 19 от снега 49.
Водопроводную часть 4 сооружения обычно выполняют многоярусной. По меньшей мере, она может состоять из одного яруса габионов, причем, как крайний случай, водопроводная часть 4 может содержать всего один канал (фиг.7).
Источники информации
1. Гибшман Е.Е. Мосты и сооружения на автомобильных дорогах. - М.: Транспорт, 1973, стр.224, 225, фиг.114, 115.
2. Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты. ВСН 61-89 / Минтранстрой СССР. - М.: ЦНИИС, 1990. Приложение 10, рис.1-3.
3. Патент Российской Федерации №2059031, кл. Е01F 5/00, опубл. 27.04.1996.
4. Патент Российской Федерации №2186170, кл. Е01F 5/00, опубл. 27.07.2002.
5. ГОСТ Р 52132-2003 Изделия из сетки для габионных конструкций. Технические условия.
Обозначения
1 - насыпь
2 - основание
3 - водоток (наледи отсутствуют)
4 - водопроводная (фильтрующая) часть
5 - габионы (L×B×H, метры: 1,5×1,0×1,0)
6 - габионы (3,0×2,0×0,3)
7 - водонепроницаемая мембрана (далее: мембрана)
8 - теплозащитная оболочка
9 - полотно (геотекстиль)
10 - противофильтрационный экран
11 - боковые открылки
12 - уровень воды (перед сооружением)
13 - продольная ось (водопропускного сооружения)
14 - водопроводящие каналы
15 - постель
16 - перекрытие (внутреннее)
17 - перекрытие (верхнее)
18 - боковые стенки (водопроводной части)
19 - входной оголовок
20 - водоприемная стенка
21 - водоприемное покрытие
22 - выходной оголовок
23 - водобой
24 - входные отверстия
25 - сороудерживающая решетка
26 - распорные элементы
27 - крепление камнем
28 - защитный слой (фильтр)
29 - местный грунт
30 - естественная поверхность грунта
31 - водобойный элемент
32 - водоток (наледный)
33 - противоналедная труба
34 - водопроводящий канал (в 3-м и 5-м ярусах)
35 - плоский элемент (твердотельный)
36 - водоприемник
37 - водосборник
38 - теплоизоляция
39 - дополнительная труба
40 - подсыпка (крупнопористый грунтовый материал)
41 - щель
42 - боковая канава (стрелки)
43 - весенняя вода
44 - летняя вода
45 - зимняя вода
46 - граница оттаивания многолетнемерзлых грунтов
47 - сезоннопротаивающий слой
48 - склон
49 - снег.