CC BY
42
УДК 624.19.8
Непомнящих Евгений Владимирович Evgeniy Nepomnyaschikh
Клочков Яков Владимирович Yakov Klochkov
¿L J»» ;
МЕРОПРИЯТИЯ ПО УЛУЧШЕНИЮ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ВОДООТВОДНЫХ СООРУЖЕНИЙ
IMPROVEMENT OF WATER AND THERMAL REGIME DRAINAGE STRUCTURES
Сложные климатические, инженерно-геологические и гидрологические условия, характерные для многих районов Сибири, приводят к образованию наледей на переходах транспортных сооружений через водотоки. Для противоналедной борьбы существует ряд известных способов, в основном — это временные малоэффективные и неэкономичные методы пассивной противоналедной защиты, в которых не наблюдается комплексность и дифференцированный подход к организации борьбы с опасными наледями, которые напрямую влияют на безопасность и бесперебойность движения.
Предлагается в подмостовых руслах, где ожидаются или уже образуются наледи, устраивать беструбный дренаж, заполненный фильтрующим утеплителем. Сток воды за пределы сооружения и выпуск ее в безопасном месте обеспечивается за счет сохранения положительных температур в теле дренажа в зимнее время. Основной задачей стал подбор оптимального материала-заполнителя, обеспечивающего эффективную работу данной конструкции беструбного дренажа. Из известных строительных материалов выбраны гравий, пенополистирол и пе-ностекольный щебень.
По результатам проведенных исследований очевидно, что при стационарных условиях теплопередачи образцы промерзали с разной интенсивностью. Водонасыщенный гравий, имеющий самую высокую теплопроводность, промерзает быстрее других образцов. Процесс промерзания водонасыщенного полистирола, обладающего самой низкой теплопроводностью, также идет с большой скоростью. Пеностекольный гравий дольше других образцов
Difficult climatic, geological and hydrological conditions typical for many areas of Siberia lead to ice hillock on the transitions of transport facilities through the waterways. There is a number of known ways for ice hillock control, mostly temporary inefficient and uneconomical methods of passive ice hillock control, in which complexity and differentiated approach to ice hillock control are not observed. That directly affects the safety and continuity of movement.
The authors offer to construct a tubeless drainage filled with filter material in bridge channels where ice hillock is expected or has been already formed. The flow of water outside the construction and water discharge in a safe place is provided by maintaining positive temperatures in the body of the drainage in winter. The main task was choosing of optimal filler material, which ensures the effective operation of tubeless drainage construction. Of the known construction materials gravel, foam polystyrene and crushed foam glass were selected for research.
According to the results of the conducted research it is obvious that under steady-state conditions of the heat transfer, the samples were frozen with different intensity. Water-saturated gravel with the highest thermal conductivity freezes faster than other samples. The process of freezing of water-saturated foam polystyrene with the low thermal conductivity goes with greater speed. Crushed foam-glass keeps a positive temperature longer than others and the process of ice formation of this pattern continues when in the other samples it has already been over. This is explained by the fact that the coefficient of thermal diffusivity of foam glass is two times lower than that of gravel and foam polystyrene.
сохраняет положительную температуру, и процесс льдообразования этого образца продолжается, когда в других образцах он уже закончился. Этот факт объясняется тем, что коэффициент температуропроводности пеностекла в два раза ниже, чем у гравия и пенополистирола. Таким образом, для заполнения беструбного дренажа рекомендуется использование пеностекольного гравия
Ключевые слова: наледь, пеностекло, беструб- Key words: ice hillock, foam-glass, tubeless drain-ный дренаж, фильтрующий утеплитель, тепло- age, filler material, insulation material. изоляционные материалы
Thus, to fill tubeless drainage it is recommended to use crushed foam-glass
Многообразие природных условий, в которых строятся и эксплуатируются транспортные сооружения в России, порождает разного рода неблагоприятные воздействия, нарушающие нормальное функционирование объектов. Сложные климатические, инженерно-геологические и гидрологические условия, характерные для многих районов, приводят к образованию наледей на переходах транспортных сооружений через водотоки.
Наледи образуются при промерзании потока речных или грунтовых вод или разгрузке подземных вод, когда в основании водотока залегает неглубоко водоупор в виде вечной мерзлоты или водонепроницаемых пород и живое сечение при промерзании сужается, поток становится напорным, вода через трещины изливается на поверхность и образует наледь. Они оказывают различные воздействия на строящиеся или эксплуатируемые объекты, особенно железнодорожные пути, автомобильные дороги, водопропускные трубы и малые мосты.
Для противоналедной борьбы существует ряд известных способов, которые делятся на пассивные и активные [1, 2, 4, 5, 6]. Пассивные ослабляют действие, но не оказывают влияния на факторы наледеоб-разования, а активные ликвидируют нале-деобразовательные процессы или устраняют их действие на сооружение.
В основном — это временные малоэффективные и неэкономичные методы пассивной противоналедной защиты, в
которых не наблюдается комплексность и дифференцированный подход к организации борьбы с опасными наледями, которые напрямую влияют на безопасность и бесперебойность движения (рис. 1).
Для перехвата поверхностных и грунтовых вод часто используют открытые канавы и лотки, но даже при необходимой величине поперечного сечения и продольном уклоне они в первые же месяцы холодов забиваются льдом и требуют новой нарезки [1, 8] (рис. 2).
На малых постоянных водотоках и ключах возможно организовать и безна-ледный пропуск воды через искусственное сооружение. Важно воспрепятствовать охлаждению воды и замедлению ее течения. Необходимо сосредоточить водный поток и создать ему благоприятный тепловой режим в зимний период на подходах и в пределах водопропускного сооружения. Для этого проводятся следующие мероприятия:
— концентрация и спрямление русел водотоков при протекании их в пределах мостов, труб и полосы отвода;
— устройство обычных и утепленных лотков, дренажей, коллекторов, каптажей и выпусков;
— подогрев воды различными энергетическими приборами;
— водопонижение за счет откачки воды насосами;
— утепление водопропускных сооружений теплоизолирующими щитами, а также другими способами (рис. 3, 4).
Рис. 1. Устройство противоналедных прорезей вокруг мостовых опор
Рис. 2. Заполнение противоналедной канавы водой
Рис. 3. Пример устройства утепленного железобетонного лотка, заглубленного в русло водотока: 1 - водозаборник; 2 - открытый железобетонный лоток; 3 - снегозадерживающие щиты; 4 - закрытый железобетонный лоток; 5 - водоприемник; 6 - снег; 7 - направление господствующего ветра
А1
ви^вдагат
Река
;//////// /// /Д- Щ
А-А
Б-Б
8 9
Рис. 4. Пример устройства утепленной канавы для отвода ключевой воды: 1 - склон хребта; 2 - ключ; 3 - утепленная водоотводная канава; 4 - снег; 5 - мост; 6 - направление господствующего ветра; 7 -снегозадерживающие щиты; 8 - полиэтиленовая пленка; 9 - деревянные поперечены
Отсутствие типового решения и единой системы расчетов, а также изменчивые климатические условия и разный характер образования наледей не позволяют дать четких рекомендаций по снижению негативного влияния наледей на транспортные объекты.
Анализируя рассмотренные методы и опыт борьбы с наледями, можно сделать вывод, что они малоэффективны ввиду своей трудоемкости, многокомпонентнос-ти и недолговечности. Большинство про-тивоналедных сооружений или отдельных их элементов при эксплуатации могут подвергнуться деформации, размыву, требуют постоянного контроля и периодических работ по содержанию и восстановлению.
Авторами статьи предлагается в под-мостовых руслах, где ожидаются или уже образуются наледи, устраивать беструбный дренаж, заполненный фильтрующим утеплителем. За счет сохранения положительных температур в теле дренажа в зимнее время обеспечивается сток воды за пределы сооружения и выпуск ее в безопасном месте. Защита дренажа от промерзания и беспрепятственный пропуск воды возможны при заполнении его материалом, обладающим следующими свойствами:
— дренирующими, без потери свойств фильтрации со временем;
— имеющим округлые формы частиц для уменьшения сопротивления потоку воды;
— возможностью подбора по гранулометрическому составу;
— низким коэффициентом теплопроводности, не изменяющимся при нахождении во влажной среде ввиду малой гигроскопичности материала;
— высокими прочностными характеристиками;
— термической, химической и морозостойкостью.
Использование такого материала исключит необходимость в дополнительном утеплении, что, как правило, приводит к усложнению конструкции и обеспечит надежность работы дренажа, ограничившись лишь его монтажом, без дополнительных периодических вмешательств. В качестве материала для
заполнения дренажа возможно использование пеностекольного гравия — материала, набирающего популярность в строительстве в связи с его высокими теплофизическими и прочностными свойствами [9, 10].
На рис. 5 представлен поперечный разрез русла, оснащенного данным дренажем.
При такой организации пропуска воды дренаж промерзает лишь сверху на незначительную величину, при этом поток воды продолжает канализироваться в нижнем сечении дренажа (рис. 6).
При самых неблагоприятных климатических обстоятельствах, а именно малоснежной зиме и длительных отрицательных температурах промерзание русла, с последующим образованием наледи произойдет вне дренажа выше по течению, так как промерзание там будет идти более интенсивно (рис. 7).
Подобная конструкция имеет ряд преимуществ перед простыми утепленными лотками, где утеплитель укладывается, как правило, над руслом. В результате уменьшается отверстие моста, и создается препятствие для пропуска весенних паводковых и других вод. Также конструкция утепления лотка может быть разрушена и смыта при подъеме уровня воды в ручье.
Предлагаемый способ позволяет устранить наледеобразование в подмостовом русле и исключить давление льда на пролетные строения и опоры мостов. Эффективная борьба с наледями при использовании данного способа возможна при всех условиях эксплуатации, что подтверждается наличием похожей конструкции беструбного дренажа в [2].
Основной задачей, обеспечивающей эффективную работу данной конструкции беструбного дренажа, стал подбор оптимального материала-заполнителя. Из известных строительных материалов выбраны гравий фракции 5...10 мм, пенопо-листирольные шарики диаметром 5.10 мм и пеностекольный щебень фракции 5.10 мм. В ходе эксперимента требовалось установить, имеются ли различия в теплофизи-ческих свойствах заполнителей при полном водонасыщении и полной заморозке.
Рис. 5. Поперечный профиль дренажа: 1 - подмостовое русло; 2 - укрепление почвенно-растительным слоем; 3 - тело дренажа, заполненное эффективным материалом; 4 - зона промерзания;
5 - зона положительных температур
Рис. 6. Пропуск воды по фильтрующему теплосдерживающему дренажу: 1 - зона промерзания; 2 - зона свободной фильтрации воды; 3 - зона естественной фильтрации воды
Рис. 7. Образование наледи вне искусственного сооружения
Для этих целей были сконструированы ляции 4, чтобы процесс промерзания шел три одинаковые контейнера, боковые сте- только сверху (рис. 8, 9). ны которых и дно покрыты слоем теплоизо-
Рис. 8. Контейнер, наполненный пеностекольным щебнем
Рис. 9. Схема расстановки датчиков в контейнерах
Контейнеры заполнялись опытными материалами (3) и водой (1). Вертикально располагались три датчика температуры (2) на одинаковом расстоянии. Контейнеры были помещены в холодильную установку со средней температурой воздуха минус 21°С.
Понижение температуры и заморозка опытных образцов проходили неравномерно. Изменение температуры в зависимости от времени заморозки представлено на графике (рис. 10).
■полистирол ■Пеностекло ■гравий
Время, час
Рис. 10. График изменения температуры Результаты времени нахождения образцов в разных стадиях представлены в таблице. Время пребывания материала в разных стадиях заморозки, ч
Стадия Пенополистирол Пеностекло Гравий
Время охлаждения до 0°С 17 22 13
Время льдообразования 37 42 7
Время промерзания до минус 3°С 8 более 45 7
По результатам проведенных исследований очевидно, что при стационарных условиях теплопередачи образцы промерзали с разной интенсивностью. Водонасыщен-ный гравий, имеющий самую высокую теплопроводность, промерзает быстрее других образцов. Процесс промерзания водонасы-щенного полистирола, обладающего самой низкой теплопроводностью, также идет с большой скоростью. Пеностекольный гравий дольше других образцов сохраняет положительную температуру, и процесс льдообразования этого образца продолжается, когда в других образцах он уже закончился. Этот факт объясняется тем, что коэффициент температуропроводности пеностекла в
два раза ниже, чем у гравия и пенополисти-рола. Таким образом, для заполнения беструбного дренажа рекомендуется использовать пеностекольный гравий.
Относительно исследования в данной области авторами ведется работа над созданием математической модели, отражающей процесс замораживания-оттаивания беструбного дренажа [3, 7]. Руководство Забайкальской железной дороги заинтересовано в проведении натурного опыта и дальнейшем внедрении технологии борьбы с наледями. Ведутся переговоры об опытном внедрении заявленного способа на одном из проблемных участков.
Литература_
1. Борьба с наледями на железных и автомобильных дорогах / Под ред. А.И. Завьялова. М.: Транспорт, 1966. 112 с.
2. ВСН 210-91 Проектирование, строительство и эксплуатация противоналедных сооружений и устройств.
3. Клочков Я.В., Непомнящих Е.В. Совершенствование методов определения теплофизичес-ких свойств для нетрадиционных строительных материалов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2012. Т. 64. № 5. С. 78-81.
4. Малые водопропускные сооружения на дорогах России. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. 444 с.
5. Методические указания по проектированию противоналедных мероприятий и устройств / ВНИИ трансп. стр-ва. М., 1975. 50 с.
6. Методические указания по проектированию противоналедных устройств. ЦНИИС. М., 1970.
7. Непомнящих Е.В., Клочков Я.В. Новый метод определения теплопроводности в строительстве // Проблемы трансферта современных технологий в экономику Забайкалья и железнодорожный транспорт: материалы междунар. научн.-практ. конф. Чита, 2011. С. 45-51.
8. Рекомендации по изысканиям, проектированию и строительству малых искусственных сооружений на водотоках с процессами наледеобразова-ния / ВНИИ, транспорт. стр-ва. М., 1968.
9. Сигачев Н.П., Коновалова Н.А., Непомнящих Е.В. Получение вспененных стеклокерамичес-ких теплоизоляционных материалов на основе туфа Холинского месторождения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2014. № 1. С. 196-200.
10. Сигачев Н.П., Коновалова Н.А., Непомнящих Е.В. Низкотемпературная вспениваемость химически и механохимически модифицированных цеолитсодержащих пород для получения теплоизоляционных материалов // Вестник Забайкальского государственного университета. № 6 (109). 2014. С. 12-20.
References
1. Borba s naledyami na zheleznyh i avtomobil-nyhdorogah [Control of ice on the railways and roads]; Ed. A.I. Zavyalova. Moscow: Transport, 1966. 112 p.
2. VSN 210-91 Proektirovanie, stroitelstvo i ekspluatatsiya protivonalednyh sooruzheniy i ustroys-tv (VSN 210-91 Design, construction and operation of anti-iced structures and devices).
3. Klotchkov Yа.V., Nepomnyashchikh E.V. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta (Bulletin of Irkutsk State Technical University), 2012. Vol. 64, no. 5, pp. 78-81.
4. Malye vodopropusknye sooruzheniya na dorogah Rossii [Small water-leaking constructions on Russian roads]. Moscow: FGBOU «Training Center on Education for railway transport», 2013. 444 p.
5. Metodicheskie ukazaniya po proektirovaniyu protivonalednyh meropriyatiy i ustroystv [Guidelines for the design of anti-iced activities and devices]: Institute of transp. construction. Moscow, 1975. 50 p.
6. Metodicheskie ukazaniya po proektirovaniyu protivonalednyh ustroystv [Guidelines for the design of anti-iced devices]. CNIIS. Moscow, 1970.
7. Nepomnyashchikh E.V., Klotchkov Yа.V. Problemy transferta sovremennyh tehnologiy v eko-nomiku Zabaikaliya i zheleznodorozhny transport (Problems of modern technology transfer in the economy of Transbaikalie and railway transport): Proceedings of the international. scient. conf. Chita, 2011. P. 45-51.
8. Rekomendatsii po izyskaniyam, proektirovaniyu i stroitelstvu malyh iskusstvennyh sooru-zheniy na vodotokah s protsessami naledeobra-zovaniya [Recommendations for research, design and construction of small artificial structures on water streams with processes of icing formation]: Institute of transport. construction. Moscow, 1968.
9. Sigachyov N.P., Konovalovа N.A., Nepomnyashchikh E.V. Sovremennye tehnologii. Sistemny analiz. Modelirovanie (Modern technologies. System analysis. Modeling), 2014, no. 1. pp. 196-200.
10. Sigachyov N.P., Konovalovа N.A., Nepomnyashchikh E.V. Vest. Zab. Gos. Univ. (Transbaikal State University Journal), 2014, no. 6 (109). pp. 1220.
Коротко об авторах_
Непомнящих Е.В., аспирант, Забайкальский институт железнодорожного транспорта, г. Чита, Россия
nepom84@maiI.ru
Научные интересы: строительные материалы и изделия, теплоснабжение, железнодорожный путь, изыскания и проектирование железных дорог, геотехнология
_Briefly about the authors
E. Nepomnyaschikh, postgraduate, Institute of Transbaikal Railway Transport, Chita, Russia
Scientific interests: building materials and products, heating, railway track, railway location, designing, geotechnology
Клочков Я.В., аспирант, Забайкальский институт железнодорожного транспорта, г. Чита, Россия kIochkov.zabirt@maiI.ru
Научные интересы: строительные материалы и изделия, теплоснабжение, железнодорожный путь, изыскания и проектирование железных дорог, геотехнология
Ya. Klochkov, postgraduate, Institute of Transbaikal Railway Transport, Chita, Russia
Scientific interests: building materials and products, heating, railway track, railway location, designing, geotechnology
