Министерство транспортного строительства СССР

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВСЕСОЮЗНЫЙ ДОРОЖНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ (СОЮЗДОРНИИ)

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРОГНОЗУ НАЛЕДЕЙ ПРИ ВЫБОРЕ МЕСТА ПЕРЕХОДА ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ

Одобрены Минтрансстроем СССР

Москва 1973

“Методические рекомендации" являются первой попыткой ответить на один из весьма сложных и не решенных до сих пор вопросов прогнозирования наледей, возникающих при строительстве транспортных сооружений на переходах через водотоки автомобильных и железных дорог. Приведены физически обоснованные признаки наледных районов Советского Союза и потенциальной наледности (наледеопасности) участков русла водотоков, на которых возможно появление наледей в результате постройки транспортных сооружений.

"Методические рекомендации" разработаны на основе многолетнего изучения притрассовых наледей, проводимого СоюздорНИИ главным образом в районах Восточной Сибири и Дальнего Востока.

Дана схематическая карта распространения наледей на территории СССР.

Табл. 4, рис. 7.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие 1.Общие положения 2. Особенности развития наледей на переходах через водотоки и их классификация 3. Прогноз возникновения наледей при выборе места перехода 2. Особенности развития наледей на переходах через водотоки и их классификация 3. Прогноз возникновения наледей при выборе места перехода 4. Инженерные решения на переходах с наледями, возникающими в результате транспортного строительства 5. Дополнительные требования к инженерно-геологическому обследованию участков перехода в наледных районах Приложение

Предисловие

В последние годы транспортная сеть нашей страны расширяется главным образом на восток, в районы со сложными природными условиями и, в частности, с явлениями наледеобразования. Выбор места перехода через водотоки автомобильной или железной дороги в районах распространения наледей представляет значительные трудности в связи с необходимостью прогнозирования наледей, возникающих на участках переходов при строительстве транспортных сооружений. Вопрос о прогнозе наледей при выборе места перехода через водтоки в наледных районах до настоящего времени еще не нашел сколько-нибудь удовлетворительного решения. Союздорнии делает первую попытку решить эту сложную задачу, используя свой многолетний опыт изучения притрассовых наледей, главным образом, в условиях Восточной Сибири и Дальнего Востока. "Методические рекомендации по прогнозу наледей при выборе места перехода через водотоки» разработал инж. Б.В. Уткин при участии С.M.Большакова (СибЦНИИС). В работе учтены замечания Ленгипротрансмоста, ЦНИИСа и МАДИ.

Замечания по данной работе просим направлять по адресу: 143900 Московская обл., Балашиха-6, Союздорнии

1. Общие положения

1. На территории СССР наледи широко распространены (см. приложение). При пересечении наледных районов автомобильной или железной дорогой наледи появляются на некоторых участках в первые же годы после постройки. Предугадать заранее, в период изысканий и проектирования участки трассы, на которых возникнут наледи после постройки дороги, первоочередная задача прогнозирования.

В отличие от прогноза наледей на междуречных участках проектируемой дороги, где местоположение наледей предугадать сравнительно легко, поскольку они обычно связаны с подрезкой водоносных слоев (выемками, полувыемками, карьерами) и с выходами родников, на участках перехода через водотоки прогнозирование значительно сложнее и выполняется по специальной методике.

2. При выборе места перехода в наледных районах обычное технико-экономическое сравнение конкурирующих вариантов необходимо дополнять анализом в целях учета наледеобразования. При этом, возможны два оптимальных решения:

переход через водоток на участке, где имеются наледи или их наблюдали здесь в прошлом, в особо неблагоприятные годы;

переход через водоток на участке, где наледей никогда не было, но они наблюдались на других участках этого водотока или на соседних водотоках.

При существующем уровне изученности наледей изыскатель-проектировщик, принявший вариант пересечения водотока на участке, где никогда не наблюдали наледей, не уверен в том, что они не появятся здесь после постройки дороги. Если бы строительство моста или водопропускной трубы в наледных районах непременно сопровождалось возникновением наледей, то можно было бы применять на всех переходах дорог, проектируемых в наледных районах, специальные типы искусственных сооружений (по аналогии со строительством в сейсмических районах), т.е. решать задачу инженерным методом. Однако многолетний опыт транспортного строительства в условиях Восточной Сибири показал, что воздействию наледей, даже в районах с самым интенсивным наледеобразованием, бывает подвержено не более 7-10 % всех искусственных сооружений дороги, поэтому ориентация на повсеместное применение в подобных условиях специальных типов мостов и труб может привести к недопустимому удорожанию стоимости переходов.

3. Оценить возможность наледеобразования на проектируемом переходе можно косвенными путями, изучая возможность (или невозможность) появления наледеобразующих факторов после постройки транспортных сооружений, т.е. привлекая теорию, раскрывающую физическую картину явления.

4. Положенная в основу настоящих "Методических рекомендаций" физико-геометрическая схема формирования наледи позволяет подойти к этим природным явлениям теоретически как к частному случаю формирования массы (вещества) в природе. Это дает возможность выявить признаки потенциальной наледности географических районов Союза и участков русла водотоков в наледных районах, руководствуясь которыми проектировщик еще на стадии технического проекта может, в известной степени, опознать инженерный фактор, неизбежно возникающий при строительстве транспортных сооружений, который самостоятельно или в сочетании с природными факторами, уже имеющимися на выбранном участке перехода, станет причиной возникновения наледей по окончании строительства.

5. Данные обоснованного прогноза наледей при выборе места перехода дают возможность учесть при сравнении конкурирующих вариантов непроизводительные затраты, связанные с развитием наледей в период эксплуатации дороги и принять, в зависимости от прогнозируемых условий, соответствующее инженерное решение: отказаться от данного варианта, применить специальный тип искусственного сооружения, включить в технический проект капитальные противоналедные устройства (сооружения) или ограничиться эксплуатационными противоналедными мерами борьбы.

2. Особенности развития наледей на переходах через водотоки и их классификация

6. Наледь в процессе формирования (развития) следует рассматривать как замерзающую воду, которая неравномерно течет или фильтрует по какой-либо твердой поверхности.

Сформировавшаяся наледь это слой льда с выпуклой (бугристой) поверхностью, т.е. имеющий положительный рельеф.

Среди различных форм наледи (ледяных образований, массив, поле, каскад, бугоросновной, наиболее развитой формой следует считать наледный бугор. Это дает возможность подойти к наледи как к естественному ледяному покрову, принявшему выпуклую форму.

Наледи, развивающиеся в полосе отвода автомобильной или железной дороги, называются притрассовым и, из них обычно учитывают лишь те, которые, взаимодействуя с транспортными сооружениями, оказывают на них вредное влияние. Среди притрассовых наледей различают природные, обход которых при строительстве дороги оказался невыгодным, и наледи, вызванные транспортным строительством.

7. Для прогнозирования наледей при выборе места перехода через водотоки достаточно классифицировать, их по происхождению вод, питающих наледные водотоки (табл. 1).

*⁾Под "замерзающей" водой понимается вода, находящаяся в состоянии кристаллизации по всему сечению потока.

Классификация распространяется на наледи, вызванные транспортным строительством, и природные.

8. В первую группу классификации отнесены наледи, образуемые поверхностными водами речной сети, в питании которых преобладают атмосферные осадки. При этом возможны наледи на постоянных водотоках, в большинстве своем имеющих подрусловый поток, и наледи на временных водотоках, обычно не имеющих подруслового потока. Первые характеризуются длительным периодом действия и нередко крупными размерами. Вторые отличаются кратковременными периодами действия и малыми размерами. Среди наледей поверхностных вод выделяются русловые и смешанные виды*.

Во вторую группу классификации отнесены наледи, образуемые подземными водами, они делятся на четыре типа.

Первый тип это наледи, образуемые водами первого водоносного горизонта, приуроченного к грунтам рыхлой толщи. Эти воды имеют, как правило, местную область питания, обладают весьма неустойчивым режимом, и на их формирование непосредственно влияют атмосфера, поверхностные осадки, климат, почвенный и растительный покров и литологический состав пород. Характер (условия залегания, питания и режим вод) водоносного горизонта отличается от характера других подземных вод, поэтому его особо выделяют при гидрологическом картировании и изучении режима подземных вод. В районах вечной мерзлоты к числу наледей этого типа относятся наледи, образуемые надмерзлотными водами (верховодкой).

Борьба с наледями данного типа наиболее сложная.

Ко второму и третьему типам отнесены наледи, создаваемые ненапорными водами субаквальных источников с близкими областями питания с относительно устойчивым режимом.

^х) Пп. 8, 10, 35 написал С.М. Большаков.

К четвертому типу относятся наледи, связанные с глубинными (артезианскими или трещинножильными) водами удаленных областей питания, с устойчивым режимом и часто со значительным дебитом.

Среди наледей подземных вод первого, второго и третьего типов выделяются подрусловые и смешанные виды.

9. Все, смешанные наледи поверхностных и подземных вод возникают в условиях взаимодействия руслового или подруслового потока с бортовыми потоками воды (со склонов) в виде поверхностных или подземных ручьев или в виде восходящих субаквальных источников.

Наиболее распространенным видом наледей подземных вод являются подрусловые, возникающие на основных водотоках после перемерзания русла, при истощении поверхностного питания из болот (марей) или после потерь на наледеобразование в верховьях водотока.

Следует иметь в виду, что субаквальные источники, в том числе и напорные воды, могут иметь значение при прогнозе наледей лишь в тех случаях, когда они играют роль факторов торможения руслового или под руслового потока. Если водоток состоит целиком или преимущественно из подземных (напорных) вод, то на нем наледи - тарыны - образуются ежегодно без какой-либо связи с транспортным строительством. Прогнозирование тарынов теряет смысл.

10. Опыт строительства и эксплуатации автомобильных и железных дорог показал, что из числа наледей, возникающих на переходах через водотоки по окончании строительства, большую часть составляют наледи смешанных вод.

Возникновение таких наледей обычно связано с нарушением естественных природных условий, теплового режима водотоков и грунтов, с постройкой земляного полотна, водопропускных и других транспортных сооружений.

3. Прогноз возникновения наледей при выборе места перехода

11. Прогнозировать наледи на переходах через водотоки автомобильных и железных дорог необходимо на гидродинамической основе, руководствуясь следующими положениями:

1) при разработке технического проекта дороги, пересекающей наледные районы (см. рис. 1 приложения), прогноз наледей необходим при выборе вариантов перехода через все малые и средние водотоки.

Если автомобильная или железная дорога проектируется вне пределов наледных районов, прогноз наледей необходим при вариантах перехода на потенциально наледных участках, южная граница распространения которых совпадает с границей районов, где малые водотоки покрываются устойчивым ледяным покровом на весь период зимы;

2) на участках русла водотоков, находящихся в пределах наледных районов*, на основе анализа принятых проектных решений и данных гидрологической, гидрогеологической и мерзлотной съемки участка перехода, устанавливается объем и характер нарушений транспортным строительством естественного гидрологического, гидрогеологического и мерзлотного режимов и прогнозируется появление инженерных факторов наледеобразования. Результаты прогноза уточняются путем учета существующих на участке природных (потенциальных) факторов наледеобразования и оценки общих, стокообразующих факторов на водосборе.

*⁾ Имеются в виду участки водотоков, на которых никогда не наблюдали наледей.

Таблица 1

Классификация наледей на переходах через водотоки^* по происхождению вод

*Составлена применительно к генетической классификации ЦНИИС. См. "Методические указания по проектированию противоналедных мероприятий и устройств". М., ЦНИИС, 1970.

**Название условное, так как почти все открытые естественные водотоки имеют, кроме атмосферного, еще и грунтовое питание.

^***Основными считаются водотоки, пересекаемые трассой.

К четвертому типу относятся наледи, связанные с глубинными (артезианскими или трещииножильными) водами удаленных областей питания, с устойчивым режимом и часто со значительным дебитом.

Среди наледей подземных вод первого, второго и третьего типов выделяются подрусловые и смешанные виды.

На основе анализа всех данных дается прогноз возникновения наледей, вызванных транспортным строительством, принимаются меры профилактики участка и проектируются противоналедные мероприятия.

Инженерные факторы наледеобразования

12. Качество прогноза инженерных наледеобразующих факторов зависит в основном от правильной опенки: изменений, которые будут внесены проектируемым земляным полотном в гидрологический, гидрогеологический и мерзлотный режим склонов лога (долины) между водоразделами, пересекаемыми трассой, а также изменений, которые будут внесены проектируемым искусственным сооружением в морфологию русла водотока и его изотермический режим.

13. При прогнозе инженерных наледеобразующих факторов наибольшее внимание следует обращать на бортовые поверхностные и подземные потоки.

14. Земляное полотно дороги, пересекая склоны, сложенные достаточно фильтрующими породами, препятствует движению подземных вод по исторически сложившимся полосам подземного стока, искусственно направляя их к ближайшему водопропускному сооружению. Образующиеся на участках переходов в связи со строительством земляного полотна бортовые потоки, дающие дополнительные выходы подземных вод, одна из основных причин появления наледей на переходах через водотоки после постройки дороги.

Источниками питания бортовых потоков могут быть родники на склонах, атмосферные осадки, выпавшие в конце безморозного периода, сток из болот (марей), талые воды вечномерзлых грунтов, оттаивающих в полосе отвода после расчистки просеки, производственные стоки и т.п.

15. Появление факторов наледеобразования по окончании строительства наиболее вероятно при следующих условиях:

а) пересечении земляным полотном склонов, сложенных вечномерзлыми грунтами при устройстве широкой просеки;

б) наличии на склонах большого количества родников и заболоченности ("мокрые склоны");

в) близком залегании на склонах (в пределах сезонного оттаивания) скального водоупорного сдоя, особенно из выветрившихся изверженных пород;

г) недостаточном количестве запроектированных косогорных водопропускных и перепускных сооружений;

д) строительстве дороги по способу раскрытия вечной мерзлоты;

е) трассировании прямолинейно (по секущей) к склону;

ж) подрезке водоносных слоев полувыемками и выемками при неполном сбросе воды (на склонах) в низовую сторону в морозный период и т.п.

16. Инженерными факторами наледеобразования могут явиться сами искусственные сооружения, если ими затрудняется пропуск меженного расхода воды, и особенно, если в них скапливается шуга.

Природные факторы наледеобразования

17. На проектируемом участке перехода необходимо учитывать все имеющиеся природные (потенциальные) факторы наледеобразования, поскольку их тормозное воздействие на русловый поток может быть реализовано в сочетании с дополнительными потерями кинетической энергии руслового потока, вызванными появлением инженерных наледеобразующих факторов.

Среди природных факторов наледеобразования различают:

а) геоморфологические каменистые перекаты, резкие повороты и суженные участки русла, мелкие островки, разбивающие русло на систему узких проток с малыми глубинами, скальные выступы, стесняющие русло с боков, порожистые участки, резкие уменьшения уклона дна, глыбовые навалы и отдельные валуны;

б) гидрологические устьевые участки, особенно места слияния нескольких русл, староречья, выпуски производственных стоков;

в) гидрогеологические места выходов в русловый и подрусловый поток нисходящих и восходящих подземных вод и особенно со значительным дебитом и напором;

г) ледотермические распластанные участки и русла с выступающими из воды песчаными косами, грядами галечника и отдельными камнями, вызывающими повышенные теплопотери потока, мерзлотные перемычки и стеснение русла заберегами («мерзлотными клещами»), а при образовании донного льда и шуги подпоры потока после ледостава.

Приведенное деление природных наледеобразующих факторов условно, так как в большинстве случаев появление одного фактора приводит к появлению или обострению другого: каменистые перекаты в первую очередь забиваются шугой. Шугоносность зависит от наличия полыней, которые обусловлены турбулентным перемешиванием в месте восходящих источников и т.п.

18. При проектировании необходимо учитывать возможность возникновения природных наледей редкой повторяемости, появление которых может быть обусловлено особо неблагоприятными погодными условиями, например, сильными морозами при незначительном снеговом покрове в начале зимы, которой предшествовали длительные осенние дожди.

Вероятность возникновения природных наледей редкой повторяемости несколько выше на водотоках, на которых наблюдаются бурные летние паводки, сопровождающиеся корчеходом и переносом (перераспределением) масс песчано-галечникового материала и отдельных мелких валунов, способных вызвать значительные изменения в строении русла, в частности, образовать новые перекаты. В итоге на переходе после постройки дороги могут иногда появляться наледи, совершенно не связанные с транспортным строительством.

Стокообразующие факторы

19. Факторы, вызывающие местное гашение кинетической энергии потока, могут быть не реализованы, если водоток не обладает постоянством расхода, в период замерзания в нем снижается уровень или он действует не всю зиму. Такой характер водотока в значительной степени обусловлен степенью обводненности бассейна и скоростью его разгрузки.

20. Значительная обводненность бассейна к началу морозного периода возможна при сильной заболоченности территории, в том числе на склонах (мари), и при обилии выходов источников подземных вод. Увеличение обводненности бассейна к началу морозного периода в значительной степени зависит от формы водосбора и ориентации по отношению к замыкающему створу (табл. 2). При водосборе в виде вытянутого в длину треугольника  и при склонах, значительно превышающих уклон лога, скорость разгрузки бассейна существенно зависит от того, как расчетный треугольник повернут к трассе. Бассейн, обращенный к сооружению основанием, освобождается от воды в 2 раза быстрее, чем бассейн, обращенный к сооружению вершиной, и в 1,5 раза быстрее, чем бассейн квадратной формы. При выравнивании длины и ширины водосбора (h/b®1) преимущества треугольной формы бассейна теряются.

21. При очень малых размерах водосбора (в пределах нескольких квадратных километров) косвенным признаком быстрого опорожнения бассейна является снижающийся в период ледостава горизонт межени, в связи с чем ледяной покров становится многослойным ("сушник"), под ним может полностью отсутствовать сток или даже оказаться сухое русло.

Таблица 2

*L - длина бассейна; В - ширина бассейна; i_c - уклон склонов; i_д - уклон лога,

Примечание. Коэффициент опорожнения для квадратной формы бассейна принят за единицу

Если горизонт межени снижается уже после образования ледяного покрова, то это свидетельствует о потерях руслового стока на наледеобразование в верховьях

22. Степень обводненности бассейна, пересекаемого водотоком, так же как и скорость сброса запасов воды, в значительной степени определяется петрографическим составом подстилающих почву пород и наклоном пластов. Скала изверженных или осадочных пород, содержащих частицы кварца, со временем "обрастает" с поверхности рыхлым фильтрующим слоем дресвы или песка, который обеспечивает замедленный и рассредоточенный подземный сток жидких осадков.

Такой замедленной водоотдачи совсем не происходит на участках, сложенных карбонатными породами. При их наличии жидкие осадки либо быстро (еще до наступления морозов) скатываются по поверхности в понижения рельефа, либо, просочившись по трещинам до водоупорного слоя, создают сосредоточенные подземные потоки с быстро уменьшающимся во времени расходом. Сток на участках, сложенных карбонатными породами, часто прекращается уже к наступлению первых сильных морозов, в связи с чем в этих условиях редко наблюдаются интенсивные неравномерные скопления льда на водотоках и в грунтах. Исключение представляют участки, где толща пород, особенно на контакте карбонатных с изверженными, нарушена тектоническими трещинами и разломами, по которым на поверхность иногда поднимаются глубинные воды.

Четко выраженная связь между скоростью водоотдачи и составом горных пород может быть прослежена лишь при учете одновременно характера напластования и наклона слоев (рис. 1).

23. Возникновение наледей на участке перехода через водотоки после окончания строительства дороги тем вероятнее, чем больше ожидается на этом участке инженерных наледеобразующих факторов, чем больше потенциальных (природных) факторов наледеобразования и чем продолжительнее поступление воды с бассейна при прочих равных условиях.

Исходные предпосылки к прогнозу наледей на переходах через водотоки

24. Любое препятствие на пути замерзающего водного потока - мерзлотный барьер, каменистый перекат , скопление шуги, снежные массы, сброшенные на неокрепший ледяной покров, и т.п. могут рассматриваться, как гидравлические местные сопротивления и оцениваться по формуле:

Рис. 1.

Примеры учета дислокаций земной коры при оценке

Рис. 1. Примеры учета дислокаций земной коры при оценке в месте вероятного воздействия проектируемого земляного полотна на режим водотока в месте перехода:

а, б, в - возможен интенсивный бортовой сток (q _бор= q_рус), г возможен слабый бортовой сток (q _бор < q_рус); д - бортовой сток незначителен или отсутствует, q_бор® 0); е, ж - бортовой сток не связан с транспортным строительством; з - бортовой сток не оказывает влияния на режим водотока;

1 - трасса; 2 - водоток (река); 3 - боковой приток (ручей); 4 - направления движения поверхностного и подземного стока; q_бор расход бортового потока в морозный период; q_рус - расход руслового потока в морозный период

 

(1)

показывающей, какая часть кинетической энергии теряется на преодоление препятствия.

Погашенная кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию, которая проявляется в возникновении динамического подпора D h . Исходя из уравнения Д. Бернулли^*

динамический подпор выражается формулой:

(2)

где h₁ и h₂ отметки свободной поверхности воды;

V₁ и V₂ средние скорости течения соответственно, без подпора и при наличии подпора.

Скорости V₁ и V₂ могут оцениваться по формуле Шези-Маннинга:

где n коэффициент шероховатости.

Величина подпора D h есть высота водяного бугра, который при дальнейшем замерзании русла (на втором этапе процесса) превращается в ледяную (выпуклую) оболочку, способную расти под действием сил кристаллизации.

*Процесс формирования наледи протекает в замерзающем турбулентном потоке, т.е. несущем взвешенные кристаллы внутриводного льда; такой поток подчиняется законам гидравлики.

25. Первая стадия процесса наледеобразования протекает как обычный ледостав (при равномерном движении воды). Поверхностные кристаллы внутриводного льда смерзаются между собой в первичный ледяной слой, с той лишь разницей, что на участке подпора они смерзаются на свободной поверхности водяного бугра, превращая ее в устойчивую ледяную оболочку.

Под влиянием усилий, развиваемых кристаллами льда, образующимися на нижней поверхности ледяной оболочки, когда она коснется твердого каменистого ложа, оболочка поднимается, и под ней образуется вакуум. Засасываемая из подрусловых насосов вода обеспечивает по принципу обратной связи непрерывность процесса кристаллизации.

Рост наледного бугра обусловлен тем, что между твердым основанием* и искривленным ледяным покровом (в месте перехода ровной поверхности льда в криволинейную) все время остается клинообразная щель; вода замерзает в ней в виде ледяного клина и вследствие большой подъемной силы, развиваемой кристаллами льда (до 2000-3000 кгс/см²), значительно превосходящей силы смерзания льда с твердым основанием (67 кгс/см²), отрывает на. некотором участке примерзший к основанию ровный слой ледяного покрова. Образуется новая клинообразная щель, в которую засасывается новая порция воды, и вновь возникает ледяной клин, и т.д. Бугор растет в высоту, одновременно увеличиваясь в размерах в базисной плоскости.

^*Под "твердым основанием" понимается твердая поверхность из материала, допускающего поступление снизу свободной или капиллярной воды, галечновалунное, гравийное или песчаное ложе водотока, поверхность выветрелой скалы, сезонной мерзлоты и т.п.

Если динамический подпор замерзающего потока воды происходит после ледостава, например при закупорке живого сечения русла скоплениями шуги, имеющийся ледяной покров препятствует образованию водяного бугра и погашенная кинетическая энергия трансформируется в пьезометрический напор, под действием которого вода выжимается на поверхность льда в местах наименьших сопротивлений: около кустов, кочек и т.п. Возникает недоразвитая, натечная форма наледи в виде ледяного массива (поля) с неровной бугристой поверхностью.

26. Существует один вид местного гидравлического сопротивления, которым можно заменить любой другой и свести, таким образом, всё разнообразие наледеобразующих факторов к одной схеме. Таким местным сопротивлением является тормозное влияние присоединенного расхода, т.е. взаимодействие двух потоков под определённым углом.

Каждый поверхностный ручей или подземный водоносный тракт может быть разбит на элементы, моделью которых является асимметричная схема соударения двух материальных систем (тел). Рассматривая такой элемент гидросети с физико-геометрической точки зрения, мы должны ориентировать систему из двух объединившихся потоков относительно некоторой оси Х-Х, которую можно считать условной линией удара двух воображаемых шаров, имеющих скорости, равные скоростям взаимодействующих водотоков, а массы, равные соответственно их расходам (рис. 2а). Тогда погашенная кинетическая энергия при соударении потоков может быть выражена уравнением, составленным для определения ξ при косом неупругом ударе двух тел:

(3)

m₁ и m₂ массы тел;

a₁ и a₂ углы между направлениями движения тел и линией удара.

Рис. 2. Асимметричная схема соударения двух замерзающих водных потоков под углом β :

а- общий случай; б - частный случай (a₂ = 0 ); β = a₁-a₂:

0-0- условная линия удара

Эффект соударения потоков оценивается коэффициентом гашения кинетической энергии:

,

где DТ= Т₀ - Т погашенная кинетическая энергия до соударения;

Т₀ кинетическая энергия до соударения;

Т суммарная кинетическая энергия объединившихся потоков.

В частном случае, когда a₂ = 0. угол соударения β = a₁ (рис. 2, б).

При неупругом прямом центральном ударе^*, когда a₁ =180° и a₂ = 0, уравнение (1) превращается в

известную формулу Карно:

Уравнение (1) характеризует изменение энергетического состояния формирующихся масс, в том числе потоков (жидких и сыпучих), взаимодействующих между собой или с элементами окружающей среды.

Составленные на основе уравнения (3) графики достаточно близко совпадают с кривыми, полученными при тех же углах для расчета гасителей кинетической энергии в гидротехническом строительстве (рис. 3). Графики показывают зависимость величины погашенной кинетической энергии от соотношения расходов взаимодействующих потоков.

В условиях, когда расход руслового потока q₁ в первой половине зимы снижается вследствие потерь на льдообразование и наледи в верховьях, расход бортового источника q₂ может часть зимы оставаться стабильным (особенно при значительных снежных отложениях на склонах). По мере приближения q₁ к q₂ , количество погашенной кинетической энергии возрастает, например, при β = 90° ξ =0,50, а на перекатах, где Р может практически достигать 180° (рис. 4) условия еще более неблагоприятны. Этим объясняется известная особенность развития речных наледей, интенсивность которых достигает максимума в середине зимы, т.е. тогда, когда расходы межени становятся наинизшими.

Рис. 3. График коэффициента гашения энергии ξ в зависимости от соотношения расходов взаимодействующих потоков

Рис. 4. Общая схема взаимодействия водных потоков в местах перехода (а), деталь схемы (б):

1-основной водоток; 2-бортовые водотоки, вызванные строительством дороги; 2¹ -бортовые водотоки естественные; 3- протоки; β - угол между взаимодействующими потоками;---- - естественное направление водотока, задержанного полотном дороги

Процесс наледеобразования имеет гидродинамическую основу и может быть связан, в зависимости от характера и объема питания руслового потока, с двумя принципиально различными моделями.

Для наледей подземных вод, возникающих в непосредственной близости от выхода источника, гидравлической моделью является истечение воды из отверстия при постоянном или переменном напоре, а для наледей, возникающих на водотоках, установившееся неравномерное движение воды при, наличии присоединенных расходов и местных сопротивлений.

Рабочая схема прогноза наледеобразования

28. При прогнозе наледей в условиях взаимодействия основного потока с присоединенными расходами нисходящих (бортовых) и восходящих потоков применяют формулу (3).

В условиях взаимодействия основного потока с прочими наледеобразующими факторами (твердыми телами) применяются формулы (1) и (2).

29. При оценке тормозного воздействия различных наледеобразующих факторов в первую очередь внимание должно быть обращено на бортовые поверхностные и подземные потоки верховодки, которая должна или изменить свое направление при отсыпке земляного полотна или появиться (в условиях вечной мерзлоты) и, следовательно, взаимодействовать с основным потоком в непосредственной близости от входа в искусственное сооружение (рис. 4).

30. Коэффициент гашения кинетической энергии, характеризующий тормозное воздействие бортовых потоков  в зависимости от коэффициентов  и  (рис. 3 и 5) а также угла взаимодействия β, может изменяться в пределах от 0 до .1. Коэффициент ξ имеет наибольшее значение при центральном, лобовом ударе водного потока о преграду, т.е. при β=d₁ =180° (см. рис. 2б).

Тогда ξ =

Если q®, то ξ ® 1.

В данном случае имеет место 100 % ная вероятность наледеобразования. Возникновение наледи возможно при β= 50÷60º.

При β < 30° возникновение наледи маловероятно (см. рис. 3 ).

31. При прогнозе наледей, вызываемых бортовыми потоками, обычно присоединяющих свои расходы при β=90°, возникновение наледей наиболее вероятно:

а) при  = 1÷2. (см. рис. 3), что наблюдается при значительной обводненности склонов (осенние дожди) и их заснеженности в начале зимнего периода;

б) при большой скорости бортовых потоков, присоединяемых к русловому (рис. 5), особенно в непосредственной близости от входа в искусственное сооружение, превышающей скорость основного водотока, что имеет место при значительной разности отметок водоразделов по сравнению с отметкой дна лога или долины;

в) при наличии в русле водотока в месте присоединения к нему бортовых потоков природных гасителей кинетической энергии, особенно каменистых перекатов с малыми глубинами, каменистых гряд, отдельных валунов и островков, разбивающих русло на мелкие протоки.

Наиболее часто встречающиеся схемы инженерных и природных факторов наледеобразования сведены в табл. 3.

32. Вероятность возникновения наледей резко снижается с уменьшением в замерзающем потоке запаса кинетической энергии. Если скорости потоков в формулах (2) и (3) стремятся к нулю (V₁=V₂® 0 ),то DТ и Dh ® 0 , т.е. возможность наледеобразования в стоячем водоеме (V = 0) исключена. На плоских широких поймах малых водотоков появление наледей, вызванных транспортным строительством, маловероятно.

Таблица 3

Факторы гашения кинетической энергии замерзающих потоков

 

33. Прогноз таких инженерных наледеобразующих факторов как мерзлотные перемычки, мерзлотные пороги, вызванные наличием железобетонных водопропускных труб каменной отмостки, фундаментов мостов и т.п., дается по формуле (3) ориентировочно, поскольку связан с необходимостью прогнозирования шугоносности водотока. Коэффициент гидравлических местных сопротивлении ξ устанавливается опытным путем или берется применительно к трубопроводам.

Наиболее частый случай инженерного фактора наледеобразования - каменистый перекат, может быть сведен к схеме внезапного ужения потока, оценивается в зависимости от отношения площади ω_г после сужения площади ω₁ до сужения (табл. 4).

Рис. 5. График коэффициента гашения энергии ξ в зависимости от соотношения расходов  и скоростей

34. Качественный прогноз наледей при выборе места перехода невозможен без строгого соблюдения правил эксплуатации дороги и водопропускных сооружений, поскольку наледи могут быть вызваны оставленными в русле после строительства сваями, захламлением русла строительным мусором, непрочищенным осенью отверстием трубы, снегом, сброшенным с проезжей части моста на неокрепший ледяной покров, прорубью, сделанной шофером (на автомобильной дороге) и т.п.

Таблица 4

35. Вероятность наледеобразования уточняется теплотехническим расчетом по конкретным показателям водного, теплового и ледового режима водотока в осеннее-зимний период*.

Прогнозируемый объем наледи определяется по расходу водотока (среднему за зимний период) и по времени ожидаемого действия наледи по следующей формуле:

где V- объем наледи, м³;

К = 1,25 - коэффициент "неблагоприятности";

Q - расход водотока, м³/сутки ;

a= 1,1 - коэффициент увеличения объема воды при переходе ее в лед;

t - продолжительность действия наледи, принимаемая равной средней длительности периода отрицательной температуры воздуха, сутки;

*Теплотехнический расчет производится по методике, изложенной в "Рекомендациях по изысканиям, проектированию и строительству малых искусственных сооружений на водотоках с процессами наледеобразования (М. ЦНИИС, 1968).

V _c- объем прироста наледи от снега, м³;

Р - плотность снегового покрова, г/см³, принимаемая по данным метеостанции;

h_c -высота снегового покрова, средняя из наибольших декадных, м;

F- площадь наледи, устанавливаемая расчетом с учетом рельефа.

36. Оценивая тот или иной вариант перехода через водотоки, необходимо повысить надежность прогноза путем предусмотренных в техническом проекте мер профилактики на участке перехода.

4. Инженерные решения на переходах с наледями, возникающими в результате транспортного строительства

37. Полученная путем прогноза картина резких нарушений, вызываемых строительством дороги, в естественном мерзлотном, гидрологическом и гидрогеологическом режиме полосы отвода, особенно склонов лога (долины), а также в ледовом режиме основного водотока дает возможность внести в технический проект необходимые коррективы. На основе технико-экономического анализа устанавливается оптимальность одного из следующих технических решений:

а) профилактика ожидаемых наледей путем инженерной подготовки участка перехода;

б) выбор специального типа искусственного сооружения;

в) включение капитальных противоналедных сооружений или временных устройств в технический проект;

г) отказ от данного варианта перехода.

38. Выбор мер предупреждения наледей зависит как от особенностей проекта, так и от природных данных участка перехода, предусмотреть которые заранее невозможно. Здесь могут быть намечены лишь общие принципы и рассмотрены наиболее типичные случаи.

Если ожидается появление бортовых потоков (верховодки) только в результате оттаивания в полосе отвода вечномерзлых грунтов, то одно из технических решений - уменьшить проектируемую ширину просеки на склонах лога (долины) и запретить нарушение естественного растительного покрова. Поскольку наледи при этом питаются в основном талыми водами, происхождение которых связано с нарушением слоя вечной мерзлоты, и обычно прекращают свою деятельность через 1-2 года эксплуатации дороги, проектирование для борьбы с ними капитальных противоналедных сооружений нецелесообразно. Если бортовые потоки появляются в результате изменения направления склонового стока из родников и "мокрых косогоров", то наледи на переходе могут действовать постоянно, поэтому целесообразно запроектировать сброс воды, притекающей к земляному полотну с низовой стороны полосы отвода, в узких фильтрующих прорезях или дренажах, допуская ее объединение в общий поток только в исключительных случаях, притом с углом взаимодействия β менее 30°.

Если по какой-либо причине осуществить сброс притекающей к земляному полотну воды невозможно, на склоне необходимо обеспечить регулирование бортового стока, например с помощью постоянных валов, отжимающих бортовой поток от насыпи при соударении его с русловым потоком под углом не более 30°.

На постоянно действующих водотоках при обнаружении возможности появления донного льда, шуги (ежегодно или эпизодически) применение железобетонных круглых труб и каменных отмостков перед мостами не допускается. Возможность возникновения наледей, связанных с повышенной теплоотдачей русла, устанавливается теплотехническим расчетом (п. 35).

39. Одной из мер предотвращения или ослабления наледей на том или ином участке проектируемого перехода является выравнивание (регулирование) глубины русла основного водотока на перекатах, исправление, резких уширений в плане, ликвидация островков, проток, староречий и т.п. Замена меандр искусственными прямыми участками или прорезями уменьшает его общую длину, снижает шероховатость, устраняет препятствия, вызывающие потери кинетической энергии, увеличивает гидравлический уклон, вследствие чего вероятность появления наледи снижается. Любой прием углубления русла должен сводиться к приданию ему формы, обеспечивающей равномерное движение воды без гашения кинетической энергии потока. На раскидистых участках русла поперечное сечение необходимо искусственно сужать с помощью дамб или направляющих валов. Длина участка русла, на котором должно быть произведено выравнивание, назначается в зависимости от размеров водотока и его особенностей, но не менее 100 м в верховую и низовую сторону от продольной оси перехода.

40. При организации работ по возведению, искусственного сооружения необходимо предусмотреть приведение русла в надлежащий порядок (удалить сваи, строительный мусор, склады лесоматериалов и т.п.).

41. При проектировании капитальных противоналедных сооружений надлежит пользоваться действующими нормативными документами по проектированию противоналедных мероприятий, сооружений и временных устройств (ВСН 61-61, ВСН 84-62 "Методические указания по проектированию противоналедных мероприятий и устройств" М.,ЦНИИС, 1370. "Технический проект противоналедных мероприятий на периодических водотоках" Л., Ленгипротрансмост, 1970. "Методические рекомендации по проектированию и возведению противоналедных устройств на автомобильных дорогах Сибири" М., Союздорнии, 1971).

5. Дополнительные требования к инженерногеологическому обследованию участков перехода в наледных районах

42. При изысканиях переходов через малые и средние водотоки в наледных районах следует проводить специальные инженерно-геологические обследования участков (являющихся конкурирующими вариантами) с тем, чтобы получить данные для прогноза наледеобразования на стадии проектного задания.

Первоочередная задача специального инженерно-геологического обследования участков перехода выяснить изменения, которые могут быть внесены земляным полотном и искусственными сооружениями в гидрологический, гидрогеологический и мерзлотный режимы полосы отвода дороги вследствие изменения направления постоянных и эпизодически действующих водотоков на каждом из склонов лога (или долины).

43. Необходимо зафиксировать все выходы подземных вод в руслах водотоков, а также на склонах, образующих поверхностные ручьи, особенно верховодку, стекающую по скальному или вечномерзлому водоупорному слою, степень заболоченности водосбора, состав коренных пород и степень их выветрелости.

С этой целью важно выяснить:

динамику расходов и скоростей основного водотока, а также всех поверхностных и подземных водотоков на склонах, пересекаемых проектируемым земляным полотном;

температуру воды в осеннее-зимний период, план русла (его ширину и конфигурацию, наличие растительности);.

возможность изменения расхода и условий протекания воды в процессе строительства и эксплуатации дороги, а также климатологические данные о районе за многолетний период (по климатологическому справочнику для метеостанций, расположенных в рассматриваемом районе). При отсутствии метеостанций данные могут быть принятыми на основе кратковременных наблюдений в процессе изысканий.

44. Гидрогеологические обследования в целях получения данных об осеннее-зимних расходах для водотоков, а также для подрусловых и грунтовых потоков следует проводить осенью или в начале зимы. Работы по выявлению и обследованию наледей должны приурочиваться к концу зимы (март, апрель).

По всем постоянно действующим водотокам и сильно обводненным логам (особенно узким и крутым) кроме гидрогеологического разреза по оси трассы, при наличии подрусловых и грунтовых вод необходимо дополнительно собрать гидрогеологические материалы:

поперечный гидрогеологический разрез лога в полосе отвода с верховой стороны (40-50 м от оси перехода);

продольный гидрогеологический разрез по дну лога.

45. Съемка планов обводненных логов с постоянно действующими водотоками выполняется в масштабе 1:2000-1:5000 на длине не менее 100 м выше и 100 м ниже места перехода.

Продольный профиль лога снимается на 250 м выше предполагаемого места образования наледи.

На всех постоянно действующих водотоках и обводненных логах, которые в проектном задании признаны опасными в наледном отношении, организуются дополнительные наблюдения (продолжительностью не менее одного года) с тем, чтобы получить данные для проектирования искусственных сооружений и противоналедных мероприятий.

Приложение

Наледные районы СССР

Подавляющее большинство рек и ручьев на территории Советского Союза покрываются на тот или иной период ледяным покровом, однако далеко не на всех водотоках, даже промерзающих до дна, образуются наледи.

Некоторое представление о наледности районов дает приложенная "Схематическая карта распространения наледей на территории СССР, составленная Союздорнии по многочисленным фактическим данным, накопленным в процессе маршрутных обследований ряда дорог, проведенных Союздорнии, и по имеющимся ведомственным^* и опубликованным материалам (рис. 1).

Рис. 1. Схематическая карта распространения наледей на территории СССР

Природные наледи на постоянных водотоках и из напорных глубинных вод до настоящего времени фиксируются главным образом при региональных гидрологических и гидрогеологических съемках, проводимых различными, часто совершенно не связанными между собой научными, проектными и производственными организациями.

По притрассовым наледям, развивающимся на постоянных водотоках (в долинах и на косогорах), имеются достаточно полные данные в управлениях автомобильных и железных дорог. Однако эти данные, будучи привязанными к полосе отвода, не дают достаточно полной картины об общей наледности района, пересекаемого дорогой.

Еще менее полные в этом отношении данные дает Гидрометслужба СССР, где фиксируются наледи лишь в районе имеющихся постов наблюдений. Отчасти этим можно объяснить тем, что на ранее составленных специальных картах, охватывающих территорию СССР, границы наледных районов не нанесены или нанесены весьма ориентировочно.

*На карте перечислены организации и отдельные исследователи, представившие Союздорнии свои материалы по наледям, зафиксированным в отдельных районах СССР

Поэтому, несмотря на тщательный учет Союздорнии данных о наледях, зафиксированных до 1971 г. в различных районах СССР, остались еще слабо изученные районы.

Чтобы отличить действительно безналедные районы от районов, где наледи еще не удалось полностью зафиксировать, необходимо использовать физико-геометрические построения, полученные Союздорнии теоретическим путем, исходя из следующих предпосылок.

Наледь возникает лишь на участках русла, где имеются гидравлические местные сопротивления, вызывающие гашение значительной части кинетической энергии потока. Очевидно, что наледными могут быть лишь те районы, где реки и ручьи несут достаточно большое количество кинетической энергии. Только при этом условии имеется источник, откуда может быть взята энергия для работы по взбугрению водной поверхности (образование кривой подпора) или местному повышению пьезометрического напора (под ледяным покровом).

Подобными особенностями обладают лишь горные водотоки, имеющие мелкое каменистое русло, загроможденное валунами. Эти водотоки принимают многочисленные поверхностные и подводные бортовые и восходящие источники. Значительное тормозное воздействие на поток русловых вод оказывают напорные воды, восходящие с больших глубин по линиям тектонических разломов, в результате чего создаются целые районы скопления мощных наледей тарынов (Северо-Восточная часть СССР).

К типичным наледным районам приходится поэтому отнести все места проявления новейшей тектоники при наличии сурового климата. За вычетом отдельных степных районов сюда относится вся Восточная Сибирь и Северный и Средний Урал.

Промежуточное положение занимают районы с горным и холмистым рельефом, где наледи, развиваясь по той же схеме, имеют несколько меньшее распространение.

Примером типичного наледного района является горная часть Читинской области, которая может до некоторой степени являться эталоном оценки других наледных районов.

Исходя из той же схемы, к безналедным можно отнести районы, в которых кинетическая энергия водотоков ничтожно мала: равнины с медленно текущими реками, озерами, бессточные западины, обширные заболоченные пространства и т.п. В подобных условиях, даже при обилии воды и при самом суровом климате, наледи образоваться не могут. Мороз в этом случае лишь увеличивает толщину ледяного покрова и глубину сезонного промерзания водонасыщенных грунтов.

Типичными безналедными являются, в частности, большинство районов Западно-Сибирской низменности с наглядно выраженной равнинной местностью, Где скопления озер покрывают обширные площади между Северным Полярным кругом и 70° с.ш, между 60 и 63° с.ш., между 54 и 56° с.ш. (рис. 2), сюда же относятся заболоченные пространства Барабы, Васюганья, Колымская низменность, Кулундинская степь, обширные тундровые зоны и т.п.

^*Баранов И.Я. Геокриологическая карта СССР. Масштаб 1:10000000, Пояснительная записка. М., 1960.

Тушинский Г.К., Трошкина Е.С., Малиновская Н.М. Инженерно-гляциологическое районирование Советского Союза. Вестник Московского университета, 1971, № 1 , стр. 4.

Следует учесть, что наледи на Северо-Востоке СССР зафиксированы аэрофотосъемкой, на ней отчетливо выделяются безналедные районы: Колымская, Индигирская и другие низменности. Несмотря на суровый климат, развитие наледей здесь исключено.

Наледные районы

Рис. 2. Схематическая карта типичных безналедных районов Западно-Сибирской низменности

Характерные признаки районов СССР по степени наледности сведены в таблицу, Легко заметить, что перечисленные признаки находятся между собой в тесной связи.