Искусственные сооружения в условиях повышенного снегопереноса

Снежный покров рассматривается наукой о геокриологии как существенное условие в механизме развития толщ сезонно- и многолетнемерзлых пород в связи с тем, что он участвует в термодинамическом взаимодействии внешней среды с литосферой, систематически изменяя структуру теплообмена. На важную роль снежного покрова в природных процессах впервые обратил внимание А.И. Воейков в 1871 г.

Далее приведены результаты системных наблюдений за снегоот- ложениями на севере Западной Сибири.

Общая глубина снежного покрова в Западной Сибири невелика, меньше, чем во многих других районах страны. Однако особенностью района является то, что этот снег «рассыпчатый» и легко переносится ветром. Передвижение снега начинается уже при скорости ветра 4 м/с. В процессе переноса снег осаждается близ препятствий. Увеличение мощности снежного покрова у опор моста ограничивает в зимний период доступ холода в грунт, препятствует зимнему выхолаживанию поверхности, что приводит к деградации мерзлоты.

Распределение снежного покрова в зоне мостов крайне неравномерное. Толщина и характер покрова существенно различаются в разных точках на поперечной и продольной осях моста, на конусах и откосах подходной насыпи. По поперечной оси моста снег располагается волнами. Гребни волн (зона максимального снегонакопления) находятся у краев пролетного строения, с некоторой сдвижкой в полевые стороны (рис. 6.4, а). В случае близкого параллельного расположения соседнего моста гребень снежной волны образуется примерно посередине между сооружениями (рис. 6.4, б). В марте- апреле величина снежного покрова наибольшая.

Железнодорожные мосты со схемами 1х9,3и1х11,5м полностью заносятся снегом. Если они не имеют перил, определить положение таких мостов на местности в период максимальных снегозаносов затруднительно. Зона максимального снегонакопления примыкает не-

Характер снегоотложения на мостах

Рис. 6.4. Характер снегоотложения на мостах: а — под автодорожным мостом; б — между рядом расположенными автодорожным и железнодорожным мостами

Мост на км 831 железнодорожной линии Ягельная—Уренгой (схема 1 х 9,3 м)

Рис. 6.5. Мост на км 831 железнодорожной линии Ягельная—Уренгой (схема 1 х 9,3 м): верхний снимок сделан в марте, нижний — в июне посредственно к балкам пролетного строения. Толщина снежного покрова определяется высотой моста, и чем мост выше, тем больше снега скапливается близ него. При высоте подмостового габарита 2,5 м толщина покрова достигает 3,5 м (рис. 6.5 и 6.6).

Мост на км 833 железнодорожной линии Ягельная—Уренгой (схема 1 х 9,3 м)

Рис. 6.6. Мост на км 833 железнодорожной линии Ягельная—Уренгой (схема 1 х 9,3 м): верхний снимок сделан в марте, нижний — в июне

На мостах, имеющих схемы 1 х 16,5 и 1 х 18,3 м и высоту подмостового габарита от 3,2 до 3,8 м, концы пролетных строений к исходу зимы бывают полностью занесены снегом, мощность которого достигает 3,5—4 м. Однако под мостом ветровые потоки образуют выдувы, на дне которых толщина покрова составляет от 5 до 7 см (рис. 6.7).

Мосты, имеющие схему 1 х 23,6 м и высоту подмостового габарита от 2,4 до 3,1 м, снегом не заносятся. Непосредственно под пролетным строением толщина снежного покрова меньше, чем по сторонам от моста, однако в зоне максимального снегонакопления (за пределами ширины моста) она достигает 90—170 см. Толщина снежного покрова близ таких мостов обратно пропорциональна высоте подмостового габарита (рис. 6.8).

Выдувы под пролетом длиной 18,3 м

Рис. 6.7. Выдувы под пролетом длиной 18,3 м

Зависимость снегозаносимости железнодорожных мостов от длины пролетов

Рис. 6.8. Зависимость снегозаносимости железнодорожных мостов от длины пролетов: 1 — в зоне максимального снегонакопления;

2 — под пролетом

С дальнейшим увеличением отверстия железнодорожных мостов снегозаносимость их уменьшается. Под однопролетными мостами с отверстием более 50 м глубина снега составляет в период максимальных накоплений (март—апрель) 10—40 см, что значительно меньше, чем за пределами моста. Зона максимальных снегонакоплений на местности практически незаметна.

Железнодорожный мост со схемой 66 + 88 + 66 м и высотой подмостового габарита 5,7 м и автодорожный мост со схемой 42 + 2 х 63 + + 42 м практически вообще не подвержены снегозаносам. Под пролетами по всей длине моста ледовая поверхность реки свободна от снега. Отсутствует снег и близ массивных опор, габаритные размеры которых составляют 2,0 х 9,6 м на автодорожном мосту и 2,6 х 10,7 м — на железнодорожном.

Снегозаносимость железнодорожных мостов зависит, таким образом, от отверстия подмостового габарита. Она резко снижается, когда отверстие моста достигает 24—25 м. Снегоотложение под мостами при этом становится меньше, чем в полевых условиях.

Мост на км 20 автодороги Ягельная—Пур (схема 1x12 м)

Рис. 6.9. Мост на км 20 автодороги Ягельная—Пур (схема 1x12 м): верхние два снимка сделаны в марте, нижний — в июне

Наиболее распространенными на автомобильных дорогах являются мосты со схемами п х 12 м.

Мосты, имеющие схему 1 х 12 м и подмостовый габарит менее 2 м, полностью заносятся снегом (рис. 6.9 и 6.10).

При высоте подмостового габарита более 2 м толщина снежного покрова снижается и становится тем меньше, чем больше высота габарита (рис. 6.11). Отмеченная закономерность характерна и для мостов со схемами 2х12иЗх12м.

Мосты с двух- и трехпролетными схемами снегом не заносятся. На мостах со схемой 2 х 12 м, ориентированных в направлении «запад-восток», средняя толщина покрова под западным пролетом составляет 125 см, под восточным — 170 см. Средняя толщина в зоне максимального снегонакопления составляет 210 см.

Мост на км 49 автодороги «Уренгой-280» (схема 1 х 12 м)

Рис. 6.10. Мост на км 49 автодороги «Уренгой-280» (схема 1 х 12 м): верхний снимок сделан в конце марта, нижний — в середине июня

Снегозаносимость автодорожных мостов со схемой 1 х 12 м

Рис. 6.11. Снегозаносимость автодорожных мостов со схемой 1 х 12 м:

1 — в зоне максимального снегонакопления; 2 — под пролетом

На мостах со схемой 3 х 12 м максимальная толщина снега в среднем пролете находится в пределах от 60 до 140 см, в зоне максимального снегонакопления — от 150 до 240 см. Колебания толщины покрова могут быть очень значительными вследствие того, что мосты с трехпролетной схемой располагаются, как правило, на постоянно действующих водотоках, где нередки случаи образования наледей в непосредственной близости от моста. Изливающаяся на ледовую поверхность вода поглощает снег под пролетом. Толщина покрова при этом случае может колебаться в течение всей зимы от 0 до 10—20 см. Это значительно меньше, чем по сторонам рядом с мостом.

Снегозаносимость опор зависит, как показали исследования, прежде всего от отверстия моста и от высоты подмостового габарита, и в меньшей степени — от типа опор.

Массивные промежуточные опоры с полуциркульным очертанием концевых частей способствуют ускорению ветровых потоков, которые выносят снег из зон, примыкающих к опоре. Так, на железнодорожном мосту, имеющем схему 11,5+ 16,5 + 11,5 м и максимальную высоту подмостового габарита 4,2 м, промежуточные опоры практически свободны от снега в течение всего зимнего периода. На расстоянии 1,5 м от граней одной из опор максимальная глубина снежного покрова составила по разные стороны от 0 до 30 см (рис. 6.12).

Характер снегоотложения на опоре

Рис. 6.12. Характер снегоотложения на опоре: / — на 15.02.1986 г.; 2- на 04.03.1986 г.; 3 - на 24.04.1986 г.

На другой промежуточной опоре, расположенной в наиболее снегозаносимой части моста на расстоянии 1 м от ее граней, глубина покрова составила в период максимального снегонакопления 5, 110, 40 и 115 см. Следует подчеркнуть, что данный мост подвержен повышенным снегозаносам вследствие затеняющего влияния расположенных рядом временного железнодорожного моста и насыпи автомобильной дороги. Под пролетами этого моста глубина снежного покрова достигает 180—190 см, а в зоне максимального накопления (на расстоянии 2—4 м по обе стороны от моста) — 280—290 см.

Вокруг опор образуется снежный ореол. Его поверхности, обращенные к опоре, покрыты прочной ледовой коркой, образующейся при уплотнении снега ветровыми потоками. С увеличением отверстия моста и высоты подмостового габарита уменьшается количество снега близ моста и, соответственно, близ опор. Снегоотложение у мостов с отверстием более 30 м и высотой подмостового габарита 3—3,5 м обычно меньше, чем по сторонам рядом с мостами.

Кроме массивных опор, на больших мостах находят применение многостоечные опоры с высоко расположенным ригелем (насадкой). Промежуточные опоры одного из мостов (схема 42 + 4 х 63 + 42 м) выполнены в виде расположенных в один ряд 6 стоек из металлических труб диаметром 1420 мм, объединенных железобетонным ригелем. Опора другого моста (схема 2 х 42 м, высота подмостового габарита 3,7 м) состоит из двух железобетонных оболочек диаметром 1600 мм. Все пространство под этими мостами, в том числе и в зонах, примыкающих к опорам, также свободно от снега.

На тех мостах, где снегоотложение меньше, чем по сторонам, возможно образование наледей. Они наиболее вероятны на постоянных водотоках с открытым маловрезанным руслом, где снег сдувается. Водотоки характеризуются наличием таликов и подрусловыми потоками. Важным условием образования наледей является промерзание водотоков до дна.

Начало образования и мощность наледей в значительной степени определяются динамикой снегоотложений. На одних и тех же водотоках в зависимости от времени выпадения снега и его количества наледи могут возникать в ноябре-декабре или в феврале—марте. Толщина наледи составляет, как правило, несколько десятков сантиметров, а в среднем 40—60 см. Однако были отмечены и более мощные наледеобразования, как например, на автодорожном мосту со схемой Зх 11,5 м: в декабре — 40—60 см, в январе — 110 см, в марте — 175 см.

На автодорожных мостах, имеющих схему 2х12иЗх12м, широко применяются однорядные свайные опоры, состоящие из 8—9 железобетонных свай сечением 35 х 35 см. Динамика снегозаносов этих опор иллюстрируется рис. 6.13, где видно, что накопление снега идет быстрее с подветренной стороны моста и между стойками опоры. Снегоотложение имеет резко выраженный ореол. В течение всего зимнего периода, а также в период максимального снегонакопления наименьшая глубина покрова — в центре опоры, наибольшая — с подветренной стороны (рис. 6.13, б). На мостах со схемой 2 х 12 м, ориентированных по направлению запад — север, глубина покрова на дне чаши выдува находится в пределах от 5 до 70 см, а на расстоянии 1,5 м по обе стороны от граней опоры (по оси моста) — в 2—10 раз больше. Среднее (расчетное) распределение снега на однорядной свайной опоре можно принять ориентировочно в соответствии с рис. 6.13, в.

Двухрядные опоры автодорожных мостов со схемой 2 х 12 и 3 х 12 м состоят, как правило, из 16 железобетонных свай сечением 35 х 35 см. Близ них также образуется ореол, а в центре опоры — выдув с минимальной глубиной покрова 45—110 см. Это на 5—140% меньше, чем глубина покрова под пролетами. Таким образом, снего- заносимость двухрядных опор выше, чем однорядных.

Двухрядные опоры козлового типа, состоящие из восьми металлических труб-стоек диаметром 425 мм, применены при строительстве

Распределение снега на однорядной свайной опоре

Рис. 6.13. Распределение снега на однорядной свайной опоре: а — начальная стадия снегозаноса опоры; б — максимальные снегоотложения на опоре; в — расчетная схема снегоотложения

временных автодорожных и железнодорожных мостов, имеющих схему 3 х 11,5 м и высоту подмостового габарита от 3 до 5 м. Снего- заносимость опор этого типа также меньше, чем снегозаносимость остального подмостового пространства. Глубина покрова в чаше вы- дува в центре опоры не превышала 40—60 см. В течение зимы снег на опорах может полностью исчезать в связи с образованием наледей, которые встречаются на промерзающих водотоках, где расположены временные мосты.

Результаты обследований показали, таким образом, что независимость от типа опор снегозаносимость их существенно меньше снего- заносимости остального подмостового пространства. На однорядных и двухрядных свайных опорах в центре их образуется чаша выдува, где глубина снежного покрова минимальна. В худшем положении находятся крайние сваи опор, которые наиболее близко примыкают к зоне максимального снегонакопления. Опоры низководных мостов и эстакад, имеющие высоту подмостового габарита до 1,5—2,0 м, как правило, полностью заносятся снегом, также как и все подмостовое пространство. Число и длина пролетов при этом значения не имеют. Динамику снегоотложений на опорах, т.е. приращение глубины покрова во времени, в первом приближении следует считать равномерной в течение зимнего периода.

Снегозаносимостъ устоев. Обследование двух больших мостов через р. Евояха, имеющих примерно одинаковую ориентацию: железнодорожного (со схемой 66 + 88 + 66 м) и автодорожного (со схемой 42 + 2 х 63 + 42 м) — выявили похожую картину снегозаносов устоев (рис. 6.14). Опорные площадки и средняя часть конуса практически свободны от снега. Были отмечены лишь единичные случаи возникновения снежного надува во время апрельских метелей, высота которого достигала 1 м. По мере удаления от продольной оси моста в обе стороны глубина покрова увеличивается, достигая максимума на расстоянии 5—6 м от края моста.

Близ устоев больших мостов нередко устраивают регуляционные сооружения в виде струенаправляющих дамб. Верхняя часть таких дамб обычно оголена от снега, а все пространство между дамбами и насыпями подходов заполнено снегом. Глубина покрова прямо пропорциональна высоте дамб и может достигать 1,5 м и более. Дополнительное скопление снега близ устоев и застой воды после его таяния являются добавочным растеплителем оснований устоев.

Отмеченные закономерности снегозаносов характерны и для устоев автодорожных мостов с меньшими пролетами: 2 х 42 м (мост через р. Арка-Тангалова на автодороге «Уренгой-280») и 1 х 42 м (мост между станциями Ягельная и Коротчаево).

Иная картина снегоотложений наблюдается на устоях железнодорожных мостов с отверстиями от 20 до 40 м. Сюда относятся капитальные мосты, имеющие схемы 1 х 23,6; 1 х 34,2 м и 11,5 + 16,5 + + 11,5 м, и временные — 3 х 11,5 м. Особенностью в этом случае является довольно резкая несимметричность снегоотложений на разных устоях, т.е. влияние ориентации моста. С уменьшением отверстия несимметричность увеличивается (рис. 6.15).

Так, на железнодорожной линии Надым—Коротчаево, ориентированной примерно по оси В-3, западные устои являются как бы теневыми по отношению к господствующему юго-западному направлению ветра и поэтому наиболее заносимы снегом. Восточные устои относятся к выдуваемым и менее заносимы. В период максимального снегонакопления (в марте—апреле) все западные устои бывают занесены снегом. Концы пролетных строений заносятся на длине 3—6 м. Глубина покрова на устоях достигает 2—3 м, верхняя отметка покрова близ шкафной стенки находится на уровне подошвы рельса.

Снегозаносы на устоях больших мостов

Рис. 6.14. Снегозаносы на устоях больших мостов: а — южный конус железнодорожного моста через р. Евояха; б — вид на конус устоя;

1 — устой; 2 — подферменник; 3 — шкафная стенка; 4 — подошва конуса; 5 — створ (размеры даны в сантиметрах)

Снегоотложение на устоях моста со схемой 1 х 34,2 м

Рис. 6.15. Снегоотложение на устоях моста со схемой 1 х 34,2 м: а — по данным на 30.04.1986 г.; б — поданным на 13.03.1986 г.; 1 — шкафной блок;

2 — пролетное строение (глубина снежного покрова дана в сантиметрах)

На восточных устоях снега меньше, чем на западных. Однако и они в конце зимы, как правило, полностью находятся под снегом. На одном и том же устое снег распределяется также неравномерно. На мостах, ориентированных в направлении В-3, южная сторона является выдуваемой, количество снега здесь в несколько раз меньше, чем с северной стороны.

Часть обследованных устоев капитальных и временных железнодорожных мостов имеет высокие ростверки. Высота от уровня грунта до низа ростверка составляет 1 — 1,9 м. Толщина снежного покрова непосредственно под ростверком обычно значительно меньше, чем рядом с устоем, под пролетом, и составляет от 5 до 80 см. В тех случаях, когда устои полностью занесены снегом, полость под ростверком остается незаполненной (рис. 6.16).

Для определения условий работы охлаждающих установок на устоях представляет интерес образование ниш под концами балок пролетного строения, занесенных снегом.

Наблюдения показали, что в начале зимнего периода, примерно до января, концы пролетных строений над устоями имели ниши в толще снега, непосредственно под нижней поверхностью балок. Ниши имеют раскрытие (высоту) в устье от 5 до 60 см и глубину до 4 м и доходят до опорных частей. Формируются также продухи между стенками балок, доходящие до шкафных стенок. Во второй половине зимы, с увеличением заносов устоев и концов, балок ниши и продухи, как правило, полностью забиваются снегом.

Полость под ростверком

Рис. 6.16. Полость под ростверком: 1 — пролетное строение; 2 — ростверк;

3 — воздушная полость; 4 — снег

Величина снегоотложений на мостах «год на год не приходится». В течение трехлетнего периода наблюдений мощность снегозаносов менялась от 20 до 40%. Закономерности снегозаносов сохраняются.

На основании проведенных наблюдений были сделаны следующие практические выводы.

Строительство мостов длиной до 25—28 м в зонах с повышенным снегопереносом недопустимо.

При больших пролетах происходит выдувание снега из-под пролета, и толщина покрова становится меньше, чем рядом, по сторонам. Уменьшение снежного покрова способствует понижению температуры вечномерзлых грунтов. Однако необходимо учитывать, что на реках это может привести к образованию наледей вследствие промерзания водотока до дна.

При проектировании мостов следует отдавать предпочтение устоям на высоких ростверках. Если ростверки возвышаются над поверхностью земли на 1—2 м, под ними образуются воздушные полости (пространства, не заносимые снегом). Эти полости можно использовать при устройстве охлаждающих устройств.

В особых случаях следует учитывать, что снегозаносимость устоев с теневой стороны моста по отношению к господствующему направлению ветра, значительно больше, чем в противоположной, выдуваемой стороны моста.

Мосты находятся в более выгодном положении по сравнению с насыпями, которые являются подпорным объектом, снижающим скорость ветра. Это способствует отложению снега на откосах.

Зона максимального снегонакопления находится в месте сопряжения откоса насыпи и поверхности грунта. В этой зоне располагаются водопропускные трубы. Трубы практически полностью заносятся снегом (рис. 6.17 и 6.18). При этом конструкция труб и оголовков, а также диаметры не имеют значения. Это приводит, как правило, к дефектам, связанным с деградацией мерзлоты в основании труб.

Начальная стадия снегозаноса трубы

Рис. 6.17. Начальная стадия снегозаноса трубы

Железнодорожный мост-труба в стадии эксплуатации

Рис. 6.18. Железнодорожный мост-труба в стадии эксплуатации

На железнодорожной линии Обская—Бованенково на участке от км 0 до км 160 после 17 лет эксплуатации все трубы имели существенные дефекты, четвертая их часть находилась в неудовлетворительном состоянии. На этом участке 156 труб: это металлические трубы диаметром 1420 мм («газовые»), металлические гофрированные, железобетонные прямоугольные и круглые трубы.

Из сказанного выше следует, что конструкции водопропускных труб в зоне с повышенным снегопереносом должны быть приспособлены к таким условиям эксплуатации. Эти вопросы в этой книге не рассматриваются.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >