2.6. Проектирование на водотоках с наледями

2.6.1. Основные положения

На водотоках с наледеобразованием, как правило, проектируют малые и средние мосты.

Наледи представляют сложное физико-геологическое явление, возникающее в определенных сочетаниях специфических особенностей климата, геологического строения и гидрогеологических условий [19].

Холодный и суровый климат северной строительно-климатической зоны с наличием ранних и сильных морозов при малой мощности снежного покрова создает благоприятную среду для возникновения и развития наледей.

Определяя значение физико-геологических факторов в возникновении и развитии наледей, можно считать, что климат является необходимой средой, геологическое строение – причиной, а подземные воды – источником возникновения наледей [19].

Вечномерзлый грунт не является обязательным фактором в развитии наледей. Значительная часть их развивается вне пределов районов вечной мерзлоты. Вечномерзлый грунт, являясь водоупором, при залегании на незначительной глубине лишь усиливает и усложняет наледный процесс [19].

Для учета наледей при проектировании малых и средних мостов существует их классификация (табл. 2.2) [19,20].

При проектировании малых и средних мостов на водотоках с наледями необходимо предусматривать условия, при которых параметры наледи не оказывали бы вредного воздействия и не создавали затруднений при эксплуатации в течение всего нормативного срока. Для этого применяют рациональные конструкции опор мостов, обеспечивают соответствующую организацию зимнего стока, предусматривают строительство противоналедных сооружений.

На водотоках с наледями мосты проектируют на основе данных инженерно-геологического обследования водотоков и прогнозирования наледных процессов.

Таблица 2.2

Классификация наледей

Тип наледи	Подтип наледи	Внешние характерные признаки наледи	Особенности режима наледи
Поверхностных вод	1. Непромерзающих водотоков (речные, ручьевые) 2. Промерзающих водотоков (речные, ручьевые). 3. Поверхностных стоячих вод водоемов	Зарождаются в русле водотока, разливаясь по поверхности речного льда. Образуются на перекатах, на участках мелководного русла, где отсутствуют аллювиальные отложения. В плане повторяют очертания русла; поверхность льда ровная или вогнутая, иногда выпуклая с перепадами и редкими буграми вспучивания	Возникают с наступлением сильных морозов и действуют до окончания холодов. У водотоков рост наледи прекращается к концу первой половины зимы
Подземных вод	1. Подземных грунтовых вод (грунтовые) 2. Подземных межпластовых ненапорных вод (грунтовые или ключевые) 3. Подземных межпластовых напорных вод (ключевые)	Возникают при промерзании потоков грунтовых вод или любых подземных вод в местах естественной и искусственной (выемки, карьеры) разгрузки. Характеризуются пучением поверхности, наледными буграми, наледной суффозией грунта	Развиваются в течение всей зимы. Возникая от замерзания воды постояннодействующих источников глубоких подземных вод, характеризующихся устойчивым режимом. 1 – образуются вдоль фронта подземного потока. Объемы малые и средние; 2 – объемы значительные; 3 – образуются в местах сосредоточенной нагрузки. Объемы большие
Смешанных вод	–	Образуются на участках гидравлической связи поверхностных и подземных вод различного типа	Особенности режима и динамика наледей определяются типами вод, питающих их

Возможность развития наледного процесса можно прогнозировать с применением вероятностного метода. Развитие наледей зависит от многих природных факторов, которые претерпевают изменение во времени, и при определенном сочетании приводят к наледеобразованию. К числу важных факторов наледеобразования относят температуру наружного воздуха в зимний период, количество осадков в осенне-летний период предыдущего года и толщину снежного покрова.

При прогнозировании расчетных параметров из всех наледей, возникающих в зоне искусственных сооружений, можно выделить наледи с питанием водами сезонного промерзания (поверхностными, надмерзлотными, грунтовыми).

Образование грунтовых наледей определяется главным образом сезонным промерзанием первого от поверхности водоносного горизонта. При этом большое значение имеют взаимные соотношения глубины залегания водоупора, уровня грунтовых вод и глубины промерзания [12].

Вероятность образования грунтовых наледей , %, определяют по формуле [12]

, (2.19)

где – расход грунтового потока в пределах отверстия сооружения, м³/с; Т – среднее значение отрицательной температуры наружного воздуха за период развития наледей; – мощность водоносного горизонта;– мощность снежного покрова;– глубина залегания верхнего горизонта грунтовых вод в осенне-зимний период, считая от дневной поверхности грунта.

Вероятность образования наледей постоянных водотоков (речных и ручьевых) , %, определяют [12]

, (2.20)

где – площадь водосбора водотока выше места расположения искусственного сооружения;– живое сечение русла водотока в осенне-зимний период;– живое сечение наносов в пределах русла;– расход водотока в осенне-зимний период;– ширина водотока поверху (на уровне отметки уровня меженных вод) в осенне-зимний период;– средняя глубина водотока;– температура воды водотока в осенне-зимний период.

2.6.2. Определение геометрических параметров наледей

Средний объем наледи различного вида определяютследующим образом.

Для наледей поверхностных вод:

● при образовании вынужденных речных наледей постоянных водотоков и неполном перемерзании живого сечения

; (2.21)

● при образовании природных речных наледей постоянных водотоков и полном перемерзании живого сечения

; (2.22)

● при образовании ручьевых и снеговых наледей временных малых водотоков с расходами в начале зимнего периода менее 200 м³/ч и полном перемерзании живого сечения

, (2.23)

где – средний расход водотока за период наледеобразования;– объемный вес воды;– скрытая теплота льдообразования (=80 ккал/кг);– мощность ледяного покрова за период промерзания водотока, определяемая по табл. 2.3.

Здесь – сумма среднесуточных температур за период промерзания водотока;– средняя из наибольших данных мощности снежного покрова за период промерзания;– скорость течения водотока;– коэффициент увеличения объема воды при переходе ее в лед (=1,1);– средняя глубина воды в водотоке;– потери тепла за счет конвективного теплообмена водотока с атмосферой через лед, определяемые как, здесь– разность между температурами воды и воздуха;, где– средняя скорость ветра в зимний период;– внутреннее тепло водотока за период его промерзания, определяемое как, где= 3÷4 ккал/м²ч; – количество тепла, поступающего в водоток из грунта его дна, определяемого по табл. 2.4;– коэффициент, учитывающий долю зимнего расхода водотока, идущего на образование наледи, определяемый по табл. 2.5;– продолжительность формирования наледи, равная средней продолжительности периода отрицательных температур воздуха;– плотность снегового покрова;– площадь наледи.

Таблица 2.3