Дренажная система на вечномерзлых грунтах
DRAINAGE SYSTEM ON PERMAFROST SOILS

Изобретение относится к области строительства земляных сооружений в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях и предназначено для выпуска поверхностных и грунтовых вод преимущественно на вечномерзлых грунтах и в районах глубокого сезонного протаивания.
Часто основной причиной потери несущей способности земляных сооружений в сложных природно-климатических, инженерно-геологических и мерзлотно-грунтовых условиях являются деформации из-за естественного выветривания горных пород, расположенных в нагорной части рельефа (склона) в пределах осушаемой территории, которое приводит через 10-12 лет эксплуатации к увеличению глубины сезонного протаивания этих грунтов. Одной из причин протаивания льдистых грунтов и подземного льда, которое приводит к деформациям грунтов основания земляного полотна, является их переувлажнение из-за отсутствия или неисправности водоотводных и дренажных систем.
В результате переувлажнения нарушается температурно-влажностный режим в грунтовом массиве. Температура грунтов сезонного протаивания повышается, на границе с вечномерзлыми грунтами происходит нарушение целостности массива, граница вечномерзлых грунтов понижается, образуются понижения, которые заполняются влагой, грунты теряют прочность. Под действием статической нагрузки земляного полотна происходит деформация осадки грунтов основания и земляного полотна. В результате осадки земляного полотна происходит искажение профиля железнодорожного пути, которое вызывает нарушение безопасности и бесперебойности движения поездов.
Для предотвращения переувлажнения и деформаций грунтов оснований земляного полотна устраивают различные осушающие сооружения, направленные на выпуск поверхностных и грунтовых вод с помощью, например, дренажных систем и систем водоотводных устройств: канав, противоналедных «тепловых» и «мерзлотных» поясов, дренирующих прорезей из сортированного скального грунта и других.
Проблема известных осушающих сооружений заключается в кратковременном сроке работы осушающих сооружений, составляющем 5-7 лет, в течение которого земляное полотно находится в стабильном состоянии.
В последующий период осушающие сооружения приходят в неработоспособное состояние, и потому за период этапного перевооружения железной дороги требуется их неоднократный ремонт.
7
Известна дренажная система на вечномерзлых грунтах на склоне, принцип работы которой основан на сохранении вечномерзлых грунтов от протаивания [патент на изобретение РФ №2152483, МПК E02D 31/02, Е02В 3/18, F25D 21/00 1998. Способ предотвращения наледеобразования на склонах в малоснежных районах распространения вечной мерзлоты. Беляков А.Е., Бабелло В.А., Петров B.C. Читинский государственный технический университет. Заявлено 27.07.1998. Опубл. 10.07.2000, Бюл. № 19. - 11 стр.].
Дренажная система на вечномерзлых грунтах содержит дренажную траншею и магистраль из дренажных труб.
Дренажная траншея представляет собой обычную траншею, которая выполнена за пределами осушаемой территории земляного полотна железнодорожного пути на склоне нагорной части рельефа вдоль железнодорожного пути на глубину слоя сезонного протаивания.
Магистраль из дренажных труб состоит из вертикальных дренажных труб и продольной дренажной трубы. Каждая вертикальная дренажная труба установлена в дренажной траншее в верхней части траншеи, расположенной на склоне нагорной части рельефа на глубину слоя сезонного промерзания. Вертикальные дренажные трубы соединены в верхней части продольной дренажной трубой в единую магистраль.
В дренажной траншее, в ее нижней части выполнен водонепроницаемый экран на глубину ниже глубины слоя сезонного протаивания.
Дренажная траншея заполнена крупнопористым дренирующим материалом, например щебнем и песком.
Устройство работает следующим образом.
В период отрицательных температур под действием силы тяжести и под действием гидростатического напора подземные надмерзлотные грунтовые воды попадают с нагорной стороны по трещинам в грунтах в продольную дренажную трубу и отводятся ею за пределы осушаемой территории, например за пределы осушаемой территории вдоль приподошвенной зоны земляного полотна железнодорожного пути.
Водонепроницаемый экран препятствует проникновению грунтовой воды на осушаемую территорию в основание земляного полотна железнодорожного пути.
Таким образом, большая часть подземной надмерзлотной грунтовой воды удаляется из грунтов нагорной части. В результате уменьшается дебет поступления грунтовой воды на осушаемую территорию вблизи земляного полотна железнодорожного пути. При этом фильтрационное воздействие грунтовой воды на земляное полотно железнодорожного пути снижается, выравнивается температурно-влажностный режим в грунтовом массиве основания земляного полотна и в результате в нем прекращается дальнейшее протаивание подземного льда.
В первоначальный период 2-3 года после сооружения известного дренажного устройства вероятность поступления надмерзлотной грунтовой воды и, соответственно, протаивания мерзлоты достигает около 60-70%. При такой величине протаивания мерзлоты вероятность возникновения деформаций грунтов в основании земляного полотна составляет около 20-30%.
Известная дренажная система исправно работает весь свой нормативный срок эксплуатации, который составляет 5-7 лет.
С течением времени дренажные трубы системы засоряются, что снижает скорость сбора ими воды. Вследствие уменьшения скорости и напора воды значительно замедляется сбор, отвод и осушение нагорной части рельефа, что приводит к нарушению работы дренажной системы. Уменьшение скорости течения воды вызывает более быстрое ее замерзание в трубах, что приводит к переувлажнению грунтов основания земляного полотна и нарушению в них температурно-влажностного режима. В результате происходит протаивание вечномерзлых грунтов осушаемой территории, нарушение целостности массива на границе с вечномерзлыми грунтами, образуются трещины, которые заполняются влагой, грунты теряют прочность, что приводит к неравномерным деформациям земляного полотна.
Это связано с различием температурного режима в грунтах траншеи и в грунтах слоя сезонного протаивания, что приводит к увеличению глубины сезонного протаивания этих грунтов и нарушению целостности массива на границе с вечномерзлыми грунтами. Различие температурных режимов приводит к деградации вечной мерзлоты, деформациям дренажной системы и земляного полотна, которые начинаются через 2-3 года после начала эксплуатации дренажной системы.
Возникновение деформаций земляного полотна приводит к необходимости ремонта дренажной системы через 5-7 лет эксплуатации системы, тогда как нормативный безремонтный срок службы земляного полотна железнодорожного пути составляет 10 лет.
Достоинством известной дренажной системы на вечномерзлых грунтах является исправный безремонтный срок ее службы, равный нормативному сроку службы в 5-7 лет. Это обусловлено обеспечением соответствия проектных параметров сбора и отвода дренажной системой поступающей в нее надмерзлотной грунтовой воды с осушаемой территории в течение ее нормативного срока службы 5-7 лет.
Однако нормативный срок службы известной дренажной системы меньше безремонтного срока службы земляного полотна железнодорожного пути (10 лет), что является недостатком известной дренажной системы. Это обусловлено возникновением деформаций земляного полотна, во-первых, в результате переувлажнения и протаивания вечномерзлых грунтов осушаемой территории из-за нарушения работы дренажной системы и, во-вторых, в результате деградации вечной мерзлоты из-за различия температурных режимов в грунтах траншеи и в грунтах слоя сезонного промерзания из-за нарушения целостности слоя сезонного промерзания.
Наиболее близкой по технической сущности является дренажная система на вечномерзлых грунтах, принцип работы которой основан на сохранении вечномерзлых грунтов от протаивания [патент на изобретение РФ №2449084, МПК Е02В 11/00 (2006.01). Заявка 2010133853/03, 12.08.2010. Дренажная система / Жданова С.М., Горшков Н.И., Воронин В.В., Серенко А.Ф. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) (RU). Опубл. 12.08.2010; Бюл. №12. - 11 с.].
Дренажная система на вечномерзлых грунтах содержит верхнюю, нижнюю продольные траншеи и не менее двух поперечных дренажных траншей.
Верхняя продольная дренажная траншея выполнена на склоне нагорной части рельефа вдоль железнодорожного пути в пределах осушаемой территории.
На дне верхней дренажной траншеи уложена дренажная труба, а в ее подгорной части ниже глубины слоя сезонного протаивания установлен водонепроницаемый экран. Верхняя траншея выполнена на глубину слоя сезонного протаивания и заполнена крупнопористым фракционным дренирующим материалом.
Нижняя продольная дренажная траншея выполнена на склоне нагорной части рельефа (склона) вдоль земляного полотна железнодорожного пути в пределах осушаемой территории. Она выполнена ниже глубины слоя сезонного протаивания и заполнена крупнопористым фракционным дренирующим материалом.
Верхняя и нижняя продольные траншеи в полосах стока соединены между собой поперечными дренажными траншеями, образуя дренажную систему. Поперечные дренажные траншеи выполнены ниже глубины слоя сезонного протаивания и заполнены в нижней части адсорбирующим материалом.
Дренажная система на вечномерзлых грунтах работает следующим образом.
В летний период верхняя продольная дренажная траншея перехватывает свободную грунтовую и поверхностную воду со склона из грунтов слоя сезонного протаивания, которая дренажной трубой отводится за пределы осушаемой территории. Водонепроницаемый экран удерживает свободный грунтовый поток в верхней продольной дренажной траншее и препятствует проникновению надмерзлотной грунтовой воды на осушаемую территорию между поперечными траншеями с повышенной части рельефа. Осушаемая территория между поперечными траншеями предохраняется от переувлажнения грунтовыми водами.
В предзимний период грунты слоя сезонного протаивания осушаемой территории вдоль земляного полотна промерзают неравномерно вследствие различной их теплопроводности и глубины. Вначале промерзают грунты земляного полотна между поперечными дренажными траншеями. В результате промерзания большой территории вдоль земляного полотна сток надмерзлотной грунтовой воды с нагорной части рельефа в приподошвенную зону земляного полотна между поперечными дренажными траншеями прекращается. Это приводит к увеличению гидростатического напора надмерзлотной грунтовой воды в поперечных дренажных траншеях.
Надмерзлотная грунтовая вода с увеличенным гидростатическим напором переносит из поперечных дренажных траншей в основание земляного полотна частицы адсорбирующего материала, которые цементируют пылеватые и глинистые частицы основания земляного полотна. Уплотненные в основании и теле земляного полотна грунты образуют прочную монолитную структуру, которая обеспечивает продолжительную стабильную работу дренажной системы, сопоставимую с нормативным безремонтным сроком службы земляного полотна железнодорожного пути не менее 10 лет.
С течением времени изменяется термодинамическое равновесие в природно-техногенной системе, нарушается естественный природный процесс, что приводит к понижению границы вечномерзлых грунтов и увеличению глубины сезонного протаивания нагорной части рельефа (склона) в пределах осушаемой территории. Увеличение глубины сезонного протаивания приводит к образованию неровностей ниже слоя сезонного протаивания.
Часть надмерзлотной грунтовой воды с увеличенным гидростатическим напором отводится через нижнюю дренажную траншею, а другая рассредоточивается в неровностях ниже слоя сезонного протаивания. Под действием надмерзлотной грунтовой воды в неровностях грунты деформируются, что приводит к деформации дренажной трубы в верхней траншее и снижению в ней гидростатического напора надмерзлотной грунтовой воды.
В результате снижения гидростатического напора надмерзлотной грунтовой воды в верхней траншее нарушается ее работа и работа поперечных дренажных траншей. Нижняя дренажная траншея продолжает работать в обычном режиме, удаляя поступающий поток воды из верхней траншеи.
Дренажная система в целом сохраняет работоспособность в течение 10-12 лет. Срок службы дренажной системы в 10-12 лет сопоставим с безремонтным сроком земляного полотна в 10 лет. Бесперебойная работа дренажной системы в течение 10-12 лет обеспечивает стабильность земляного полотна железнодорожного пути в этот период.
Достоинством известной дренажной системы на вечномерзлых грунтах является увеличенный до 10 лет срок ее службы, который позволяет эксплуатировать дренажную систему без промежуточного ремонта в течение нормативного безремонтного срока службы земляного полотна железнодорожного пути, в течение которого сохраняется стабильность земляного полотна железнодорожного пути.
Однако даже увеличенный безремонтный срок службы известной дренажной системы не сопоставим со сроком этапного перевооружения самого земляного полотна, который составляет 20 и более лет.
Это обусловлено понижением границы вечномерзлых грунтов, расположенных в нагорной части рельефа (склона) в пределах осушаемой территории, которое приводит через 10-12 лет эксплуатации к увеличению глубины сезонного протаивания этих грунтов. При этом понижение границы вечномерзлых грунтов вызывает деформации дренажной трубы в верхней траншее и снижение в ней гидростатического напора и, соответственно, нарушение нормальной работы самой дренажной системы и потерю стабильности земляного полотна железнодорожного пути.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке дренажной системы на вечномерзлых грунтах, позволяющей увеличить ее безремонтный срок службы до срока этапного перевооружения земляного полотна за счет сохранения границы вечномерзлых грунтов и глубины сезонного протаивания, расположенных в нагорной части рельефа (склона) в пределах осушаемой территории, как в естественных условиях.
Для решения поставленной задачи в дренажной системе на вечномерзлых грунтах, содержащей верхнюю, нижнюю продольные траншеи и водонепроницаемый экран, при этом траншеи выполнены вдоль земляного полотна железнодорожного пути за пределами осушаемой территории, верхняя и нижняя продольная траншеи заполнены крупнопористым фракционным дренирующим грунтом, верхняя продольная траншея расположена непосредственно за нижней продольной траншеей ниже по склону нагорной части рельефа с образованием единой ступенчатой траншеи, водонепроницаемый экран уложен на боковую ступенчатую грань единой траншеи, поверх которого по всему периметру единой ступенчатой траншеи уложен армирующий экран, крупнопористый фракционный дренирующий грунт нижней продольной траншеи обернут армирующим экраном с образованием дрены, при этом верхняя продольная траншея выполнена в верхней части слоя сезонного протаивания, а нижняя продольная траншея выполнена на всю глубину слоя сезонного протаивания и в уровне ступени единой ступенчатой траншеи перекрыта теплоизоляционным экраном, над которым до уровня рельефа осушаемой территории уложен водонепроницаемый слой.
Кроме того, в дренажной системе на вечномерзлых грунтах в качестве водонепроницаемого экрана выбран водонепроницаемый геосинтетический тканый материал и в качестве армирующего экрана - геосинтетический нетканый материал.
Заявляемое решение отличается от прототипа расположением верхней продольной траншеи непосредственно за нижней продольной траншеей ниже по склону нагорной части рельефа с образованием единой ступенчатой траншеи, укладкой водонепроницаемого экрана на боковую ступенчатую грань единой траншеи, поверх которого по всему периметру единой траншеи уложен армирующий экран, оборачиванием крупнопористого дренирующего грунта нижней продольной траншеи армирующим экраном с образованием дрены, выполнением верхней продольной траншеи в верхней части слоя сезонного протаивания, а нижней продольной траншеи на всю глубину слоя сезонного протаивания и перекрытием ее в уровне ступени единой ступенчатой траншеи теплоизоляционным экраном и укладкой на него водонепроницаемого слоя до уровня рельефа осушаемой территории.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Расположение верхней продольной траншеи непосредственно за нижней продольной траншеей ниже по склону нагорной части рельефа с образованием единой ступенчатой траншеи, укладка водонепроницаемого экрана на боковую ступенчатую грань единой траншеи, поверх которого по всему периметру единой траншеи уложен армирующий экран, оборачивание крупнопористого дренирующего грунта нижней продольной траншеи армирующим экраном с образованием дрены, выполнение верхней продольной траншеи в верхней части слоя сезонного протаивания, а нижней продольной траншеи на всю глубину слоя сезонного протаивания и перекрытие ее в уровне ступени единой ступенчатой траншеи теплоизоляционным экраном и укладкой на него водонепроницаемого слоя до уровня рельефа осушаемой территории обеспечивает увеличение безремонтного срока службы дренажной системы на вечномерзлых грунтах до срока этапного перевооружения земляного полотна за счет сохранения в естественных условиях границы вечномерзлых грунтов и глубины сезонного протаивания, расположенных в нагорной части рельефа (склона) в пределах осушаемой территории, как в естественных условиях без протаивания.
Это обусловлено тем, что благодаря конвективному теплообмену между крупнопористыми фракционными и вечномерзлыми грунтами происходит аккумулирование холодного воздуха в дренажной системе и в радиусе ее влияния на окружающие грунты, которая контактирует с грунтами сезонного протаивания и понижает их температуру. В результате в грунтах сезонного протаивания температура сохраняется, как в естественных условиях. При этом сама дренажная система работает без ремонта в течение срока, равного сроку этапного перевооружения земляного полотна железнодорожного пути за счет стабильности температурных режимов в грунтах траншеи, в грунтах слоя сезонного промерзания осушаемой территории вблизи земляного полотна и на склоне в нагорной (верхней) части рельефа.
Причинно-следственная связь «расположение верхней продольной траншеи непосредственно за нижней продольной траншеей ниже по склону нагорной части рельефа с образованием единой ступенчатой траншеи, укладка водонепроницаемого экрана на боковую ступенчатую грань единой траншеи, поверх которого по всему периметру единой траншеи уложен армирующий экран, оборачивание крупнопористого дренирующего грунта нижней продольной траншеи армирующим экраном с образованием дрены, выполнение верхней продольной траншеи в верхней части слоя сезонного протаивания, а нижней продольной траншеи на всю глубину слоя сезонного протаивания и перекрытие ее в уровне ступени единой ступенчатой траншеи теплоизоляционным экраном и укладкой на него водонепроницаемого слоя до уровня рельефа осушаемой территории обеспечивает увеличение безремонтного срока службы дренажной системы на вечномерзлых грунтах до срока этапного перевооружения земляного полотна за счет сохранения в естественных условиях границы вечномерзлых грунтов и глубины сезонного протаивания, расположенных в нагорной части рельефа (склона) в пределах осушаемой территории, как в естественных условиях без протаивания» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него. Следовательно, вышеприведенная причинно-следственная связь является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлено поперечное сечение дренажной системы на вечномерзлых грунтах, иллюстрирующее работоспособность и «промышленную применимость» заявляемого устройства.
Дренажная система на вечномерзлых грунтах содержит выполненные как одно целое верхнюю 1 и нижнюю 2 продольные траншеи, водонепроницаемый 3, армирующий 4 и теплоизоляционный 5 экраны и водонепроницаемый слой 6.
Верхняя продольная дренажная траншея 1 выполнена на склоне нагорной части рельефа 7 вдоль земляного полотна железнодорожного пути 8 в пределах осушаемой территории 9 в верхней части слоя сезонного протаивания 10.
Нижняя продольная дренажная траншея 2 выполнена вплотную с верхней продольной дренажной траншеей 1 на всю глубину слоя сезонного протаивания 10, контактируя с вечномерзлыми грунтами 11.
Верхняя и нижняя продольные дренажные траншеи 1, 2 контактируют по всей длине дренажной системы, образуя единую ступенчатую траншею 12. При этом нижняя продольная дренажная траншея 2 расположена по склону выше верхней продольной дренажной траншеи 1.
На боковую ступенчатую грань 13 единой траншеи 12 уложен водонепроницаемый экран 3 из водонепроницаемого геосинтетического материала, например геоспана.
При этом водонепроницаемый экран 3 контактирует с грунтом откоса верхней продольной траншеи 1 со стороны земляного полотна 8 и с грунтом ее дна, а также с грунтом откоса нижней продольной дренажной траншеи 2 со стороны земляного полотна 8.
По всему периметру единой ступенчатой траншеи 12 поверх водонепроницаемого экрана 3 уложен армирующий экран 4 из геосинтетического нетканого материала, например канвалана.
Нижняя продольная траншея 2 в нижней части заполнена фракционным дренирующим материалом, который уложен на геосинтетический нетканый материал 4 и обернут им с образованием дрены 14.
Нижняя продольная траншея 2 в уровне ступени 15 единой ступенчатой траншеи 12, являющейся дном нижней продольной траншеи 1, перекрыта теплоизоляционным слоем 5 в уровне ступени 15, например, из пенополистирола.
Нижняя продольная траншея 2 заполнена до уровня рельефа 7 водонепроницаемым слоем 6, например глинистым грунтом, который уложен на теплоизоляционный слой 5, образующий боковую стенку верхней продольной дренажной траншеи 1.
Верхняя продольная дренажная траншея 1 заполнена фракционным дренирующим материалом, например щебнем.
Дренажная система на вечномерзлых грунтах работает следующим образом.
В летний период поверхностная вода, находящаяся в верхней продольной дренажной траншее 1, и надмерзлотная грунтовая вода, поступающая в нижнюю продольную дренажную траншею 2, стекают на осушаемую территорию 9 с повышенной нагорной части рельефа 7. Водонепроницаемый экран 3 препятствует проникновению этих вод на осушаемую территорию. Воды перехватываются нижней и верхней продольными дренажными траншеями 1, 2 и отводятся за пределы осушаемой территории 9, не переувлажняя грунты слоя сезонного протаивания 10 и вечномерзлые грунты 11.
Воды в траншеях 1 и 2 смачивают находящийся в них армирующий экран 4, который благодаря капиллярным свойствам геосинтетического нетканого материала постоянно находится во влажном состоянии. В летний и зимний период происходит испарение влаги с поверхности армирующего экрана 4. Испарение влаги приводит к снижению температуры грунтов слоя сезонного промерзания 10 под нижней дренажной траншеей 2 и нижней траншеей 1.
Кроме того, в нижней траншее 2 между крупнопористыми грунтами дрены 14 и грунтами слоя сезонного протаивания 10, а также вечномерзлыми грунтами 11 происходит конвективный теплообмен. Наличие конвективного теплообмена приводит к изменению температуры в фракционных крупнопористых грунтах дрены 14 синхронно с естественным изменением температуры грунтов слоя сезонного протаивания 10. Причем создаваемый температурный режим в грунтах дрены 14 сохраняется теплоизоляционным экраном 5, гидроизоляционным экраном 3 и геосинтетическим тканым материалом 4.
Обеспечение одинаковой температуры в грунтах дрены 14 и в грунтах слоя сезонного промерзания 10 приводит к сохранению термодинамического равновесия в грунтах слоя сезонного промерзания 10 в радиусе действия дренажной системы 12.
Термодинамическое равновесие в грунтах в радиусе действия дренажной системы 12, расположенных в нагорной части рельефа (склона) 7 и в пределах осушаемой территории 9, приводит к стабильному состоянию этих грунтов без переувлажнения и нарушения их структуры.
В результате грунты дрены 14 и грунты слоя сезонного промерзания 10 работают как одно целое, что способствует сохранению целостности этих грунтов в естественных условиях в течение длительного времени. Ежегодный режим промерзания-протаивания грунтов слоя сезонного протаивания 10 до границы вечномерзлых грунтов 11 происходит естественным образом постоянно на одну и ту же глубину в течение длительного периода, сопоставимого со сроком этапного перевооружения железной дороги.
Использование заявляемой дренажной системы в 2004 г. позволило сделать вывод о ее целесообразности. Температурные замеры около дрены 14 и в самой дрене, а также в скважинах в слое сезонного протаивания показали одинаковые температуры в грунтах траншеи, в грунтах слоя сезонного промерзания осушаемой территории вблизи земляного полотна и на склоне в нагорной (верхней) части рельефа.
Проверка работоспособности дренажной системы проводилась на 3223 км БАМ ж.д. С этой целью проводились режимные измерения температуры в дрене, в слое сезонного протаивания на осушаемой территории и на склоне нагорной части рельефа в течение каждого сезона. Результаты измерений показали среднюю сходимость величин температуры грунтов. Результаты динамического зондирования верхней границы вечной мерзлоты подтверждают факт, что граница вечномерзлых грунтов остается на уровне, как в естественных условиях, а глубина слоя сезонного протаивания постоянна во всех сечениях и практически одинакова во все периоды измерений. Математическое моделирование процесса охлаждения грунта с помощью конвекции во времени позволило сделать вывод о работоспособности заявляемой дренажной системы, что позволяет сделать вывод об увеличении безремонтного срока службы дренажной системы на вечномерзлых грунтах до срока этапного перевооружения земляного полотна за счет сохранения границы вечномерзлых грунтов и глубины сезонного протаивания, расположенных в нагорной части рельефа (склона) в пределах осушаемой территории, как в естественных условиях.