Особенности проектирования водоотводных систем в условиях залегания многолетнемерзлых высокольдитстых грунтов
ПАССЕК В.В., ООО «Центральная лаборатория инженерной теплофизики» (ЦЛИТ), генеральный директор, ОРЛОВ Г.Г., АО «Институт «Стройпроект», главный инженер проекта, СЕЛЕЗНЕВ А.В., АО «Гипротранспроект», генеральный директор, ВОРОБЬЕВ С.С., ООО «ТР Инжиниринг», коммерческий директор, ПОЗ Г.М., ООО ЦЛИТ, ведущий научный сотрудник
Аннотация. Рассмотрены особенности работы водоотводных сооружений на многолетнемерзлых высокольдистых грунтах. Описан пример комплексного технического решения по устройству выемки и системы водоотводов на пересеченной местности в условиях залегания льдистых, сильнольдистых и льдогрунтов.
Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты, система водоотвода, пересеченная местность, льдистые, сильнольдистые грунты, льдогрунты.
Надежная и безопасная работа элементов транспортной инфраструктуры (земляного полотна, искусственных сооружений и др.) зависит от многих факторов: принятых технических решений в процессе проектирования объектов капитального строительства, качества выполненных строительномонтажных работ, уровня текущего содержания объектов.
На земляное полотно основное отрицательное воздействие оказывает вода (грунтовая и поверхностные стоки). Значительно повысить эксплуатационную надежность транспортных коммуникаций позволяет беспрепятственный отвод и пропуск поверхностного стока, а также грунтовых вод от конструкции земляного полотна с помощью системы водоотвода (лотков, кюветов, дренажей) и малых водопропускных сооружений (труб, их элементов - например -
кластер тройной для труб 63мм, фильтрующих насыпей). В обычных природно-климатических условиях вода, меняя влажность грунтового массива, снижает прочностные и деформационные характеристики грунтов земляного полотна и основания, т. е. влияет на устойчивость и стабильность работы конструкции.
При проектировании водоотводных и водопропускных сооружений в районах распространения многолетнемерзлых грунтов необходимо учитывать следующие особенности:
из-за наличия водоупора в уровне кровли мерзлых грунтов снижается составляющая впитывания воды в грунтовый массив и соответственно повышается расчетный расход;
так как разгрузка грунтовых вод происходит по кровле водоупора из мерзлых грунтов, наличие препятствия в уровне кровли приводит к подтоплению и застою воды с последующей деградацией мерзлоты;
температура грунтового массива в течение года непрерывно колеблется, что приводит к изменению физико-механических характеристик грунтового массива при его промораживании, протаивании и растеплении;
водопропускные и водоотводные сооружения рассчитывают с учетом значений расходов весеннего паводка или дождевого стока. В условиях многолетнемерзлых грунтов это условие является обязательным, но недостаточным. Кроме того, необходимо оценить влияние меженного уровня стока. Беспрепятственный пропуск по системе «грунтовый массив—земляное полотно—конструкция водоотвода» меженного расхода, как показывает анализ работы указанных выше сооружений, является одним из основных факторов, определяющих формирование температурного режима грунтового массива и соответственно надежность водоотводного сооружения;
при протаивании тонкого слоя грунта в местах контакта с водным потоком необходимо учитывать меньшую скорость размыва мерзлых грунтов по сравнению с обычными (талыми) грунтами;
при устройстве водоотводных сооружений, по длине которых, как правило, изменяются показатели льдистости
мерзлых грунтов (иногда встречаются и прослойки погребенных льдов), а также нарушаются условия темплообмена при эксплуатации сооружений, имеет место неравномерное протаивание, что приводит к образованию застоев воды и уменьшению площади поперечного сечения;
устройство нагорных валов приводит к образованию препятствий для свободного водного потока с изменением направления его течения, а также к существенному изменению условий теплообмена, в том числе на соседних с нагорным валом зонах, например за счет отложения снегового покрова повышенной мощности;
в связи с промораживанием деятельного слоя под насыпью или его уплотнением под весом отсыпанной насыпи, как правило, существенно уменьшается фильтрация деятельного слоя. Поэтому грунтовые воды, разгружающиеся в уровне деятельного слоя, скапливаются перед водопропускным сооружением, образуя застои, в пределах которых начинаются процессы растепления (деградации) многолетнемерзлых грунтов основания. Изменяется гидравлическая работа водопропускного сооружения с возможным образованием обратного уклона, деформациями земляного полотна и образованием застоев воды.
Каждый из элементов сооружения вносит свой вклад в формирование температурного поля системы «сооружение— грунтовый массив» в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов. Поэтому каждый элемент конструкции земляного полотна (выемка или насыпь, система водоотвода и др.) требует индивидуальных мероприятий по исключению отрицательного влияния на температурный режим многолетнемерзлых грунтов. Также имеются дополнительные требования к защитным мероприятиям для различных элементов конструкции земляного плотна: они не должны конфликтовать между собой и выходить за постоянную полосу отвода. В данной статье предложен новый подход при проектировании элементов конструкции земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах — объединение элементов под одним защитным сооружением. Рассмотрено устройство выемки тоннельного типа, где система водоотвода устраивается внутри самой выемки, т. е. водоотвод совмещен с выемкой и в связи с этим они имеют одно совместное защитное сооружение (рис. 1, 2). Предлагаемый подход при проектировании сооружений на многолетнемерзлых грунтах особенно актуален на сложных участках: в условиях распространения сильнольдистых грунтов и в пересеченной местности.
Проектирование водоотводной системы в районах распространения многолетнемерзлых грунтов является комплексной задачей, в которой необходимо рассматривать работу системы «грунтовый массив—земляное полотно—водопропускное сооружение—водоотвод». В выемках открытого типа может предусматриваться система водоотвода, приведенная на рис. 1, в которой на участках локальных понижений (логах) предусматривают устройство поперечных водосборников, перепускных каналов (фильтрующих прорезей), заполненных дренирующим крупнообломочным грунтом.
Для обеспечения беспрепятственного перехвата и отвода грунтовых вод в деятельном слое глубина фильтрующей прорези должна быть не меньше мощности самого деятельного слоя. Последующий перехват и отвод воды из фильтрующих прорезей организуется устройством кювета и направлением потока из кювета в пониженное место. Кювет, также как и перепускные каналы, заполняют дренирующим крупнообломочным грунтом. Для существенного снижения (исключения) его кольматапии в конструкции водоотвода по периметру поперечного водособорника (перед засыпкой крупнообломочным грунтом), а также прорезей (перепускных каналов) кювета необходимо укладывать нетканый геосинтетический материал.
Следует отметить, что технические решения по конструкции водоотвода, которые можно применять в одинаковых условиях для устройства насыпи, могут не подходить при сооружении выемки. Специфика назначения конструкций водоотводных сооружениях в зависимости от типа земляного полотна, как правило, прослеживается на пересеченной местности с распространением льдистых, сильнольдистых и льдогрунтов. Также необходимо отметить, что открытая система водоотвода в виде канав обычного типа в указанных выше условиях приводит не только к физическому разрушению самой системы водоотвода, но и к обрушению грунтов над конструкцией выемки с изменением рельефа местности. Подобного рода деформации грунтового массива при устройстве выемки были зафиксированы на линии Обская—Бованенково.
Для надежной и безопасной работы выемки и водоотводных сооружений в указанных условиях нужно использовать другое решение — устройство выемки тоннельного типа [1]. При этом наземная часть может представлять собой фактически насыпь либо полностью грунтовую (если ограждающая часть расположена полностью ниже естественной поверхности грунта), либо грунтовую с водонепроницаемым ядром (если ограждающая часть выемки выступает выше естественной поверхности грунта).
Для указанных выше случаев разработано следующее техническое решение (см. рис. 2). Водоотводная система в выемке тоннельного типа на многолетнемерзлых грунтах представляет собой продольный водоотвод, ориентированный вдоль оси трассы, и серию поперечных водоотводных элементов, расположенных с верховой стороны и примыкающих к продольному водоотводу.
Выемка, имеющая подземную часть и надземную, возвышающуюся над уровнем дневной поверхности, сформирована в котловане с границами 2. Внутренняя полость сооружения 3 ограничена ограждающей конструкцией, которая состоит из стенок 4, например из габионов, и перекрытия 5, например из гофрированных металлических элементов. Она может быть выполнена и по-другому, например целиком из гофрированных элементов. Балластная призма 6, или конструкция дорожной одежды автомобильной дороги, расположена вдоль оси трассы и выполнена с учетом габарита приближения строений.
Образующаяся с внешней стороны ограждающей конструкции полость в котловане (выемки) заполнена грунтом обратной засыпки 8. В надземной части с обеих сторон ограждающей конструкции 5 имеются боковые защитные грунтовые массивы 9.
Особенность данного технического решения водоотводной системы заключается в том, что продольный и поперечные элементы водоотвода расположены внутри конструкции выемки, а не за ее пределами. Поперечный элемент состоит из фильтрующих каналов 10, продолжающих полосу стока 11, и концевого водосборника 12, объединяющего фильтрующие прорези. Вся конструкция поперечного водоотводного элемента находится под боковым защитным грунтовым массивом 9.
Продольный элемент выполнен в виде желоба 13 с продольным уклоном, непрерывного по всей длине выемки и расположенного у поверхности ограждающей конструкции внутри полости в надземной части выемки, непосредственно над концевыми водосборниками 12, которые содержат перепускные трубы 14 для пропуска воды из поперечного в продольный элемент водоотвода.
Поперечные элементы 10, 12 размещают ниже уровня дневной поверхности 1 на толщину деятельного слоя, т.е. на глубину сезонного протаивания. Они заполнены крупнообломочным грунтом и защищены от кольматации нетканым геосинтетическим материалом. Полосы стока 11 находятся между локальными водоразделами 15, при этом линия 16 пересечения верхней поверхности бокового защитного грунтового массива 9 с естественной поверхностью 1 криволинейна в плане. Для фиксации гофрированного покрытия предназначены прижимные габионы 17. В целях обеспечения устойчивости стена 4 состоит из нескольких рядов габионов.
Принцип работы системы водоотвода: вода, протекая по полосе стока 11, попадает в фильтрующий канал 10, затем в концевой водосборник 12 и через перепускные трубы 14 — в желоб 13,
откуда перехваченный водоток выводится за пределы выемки.
Описанная выше конструкция водоотвода при устройстве выемок в пересеченной местности позволяет избежать создания искусственных углублений (канав) на ненарушенной территории, особенно при пересечении локальных водоразделов, а также образования снеговых отложений на конструкции выемки и системе водоотвода, которые способствуют снижению поступления холода в грунтовый массив за пределами выемки.
Кроме того, перемещение водоотводной системы внутрь земляного полотна позволяет устранить опасность протаивания, так как значительное охлаждение происходит со стороны полости тоннельной выемки. При этом температура воздуха в полости сооружения зимой приближается к температуре наружного воздуха, а летом отсутствует прямое солнечное воздействие на конструкцию выемки и систему водоотвода.
Список источников
1. Пат. 2767636 РФ МПК E01F 5/00. Водоотводная система в дорожной выемке тоннельного типа на вечной мерзлоте / авторы и патентообладатели Пассек В.В., Селезнев А.В.. Воробьев С.С., Поз Г.М., Орлов Г.Г. № 2021121122; заяв. 16.07.2021; опубл. 18.03.2022, Бюл. № 8. 5 с: ил.
2. СП 445.1325800.2018. Водопропускные трубы и системы водоотвода в районах вечной мерзлоты. Правила проектирования. Ввел. 26.06.2019. М.: Стандартинформ, 2019.
3. СТО Газпромтранс 4-3-2012. Устройство водопропускных труб в районах криолитозоны: инструкция ООО / «Газпромтранс». М.: ОАО ЦНИИС, 2012. 88 с.
