Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Эксплуатация и содержание автомобильных дорог в республике Вьетнам в течение года серьёзно осложняется из-за разнообразия климатических факторов, обусловленных географическим расположением территории с 8° до 23° северной широты. И хотя вся страна расположена в тропиках и субтропиках, погода здесь может варьироваться от морозных дней в северных горах до круглогодичной теплоты дельты реки Меконг, поэтому территорию Вьетнама принято подразделять на три климатических района: Северный, Центральный и Южный. С учетом расположения Вьетнама в восточноазиатской зоне муссонов климат в целом можно охарактеризовать двумя сезонами: влажным и сухим, сроки начала и окончания которых отличаются в этих климатических районах.

В Южном районе Вьетнама сезон дождей длится с мая по ноябрь. Самыми дождливыми месяцами являются июль и август, количество осадков колеблется от 400 до 700 мм. Дожди чаще всего идут днем в виде кратковременных ливней.

В Центральном районе сезон дождей начинается в июле – августе, заканчивается в ноябре – декабре. Самыми влажными месяцами являются сентябрь и октябрь, когда выпадает 400–500 мм осадков. Во влажный сезон нередки вторжения мощных тайфунов, которые за сезон приносят до 3000–3500 мм осадков за год.

В Северном районе дождливый сезон длится с апреля по ноябрь. Максимальное выпадение осадков приходится на летние месяцы и варьируется в зависимости от места от 270 до 450 мм в месяц, а в период с июля по сентябрь выпадает до 80 % годовой суммы осадков, составляющей 1400–1700 мм. В горных районах количество осадков за год достигает 3000 мм. С сентября по ноябрь возможны ураганы и сильные ливневые дожди и тайфуны.

На равнины во Вьетнаме приходится всего четверть территории, но именно там сосредоточена основная хозяйственная деятельность и проложены основные транспортные магистрали. Наиболее обширные равнины сформированы дельтами рек Красная (Хонгха в Северном Вьетнаме), длиной 508 км, и Меконг (в Южном Вьетнаме), длиной 250 км, между ними тянется цепочка узких береговых равнин и дельт относительно небольших рек. Все реки Вьетнама имеют дождевое питание. В связи с сезонным распределением осадков максимальные расходы воды на реках изменяются по сезонам, почти точно повторяя картину выпадения осадков. Время наступления паводков (резких и кратковременных подъемов уровня воды) на реках Вьетнама смещается постепенно с севера на юг с максимальной разницей 3–4 месяца. Самый ранний паводок – на севере, в июне – августе, а самый поздний – в центральной части, в ноябре. А учитывая, что с июля по ноябрь на территории страны часто наблюдаются тайфуны (влажные циклоны с большой силой ветра), то количество выпадающих осадков увеличивается в разы. Такое количество осадков необратимо приводит к наводнениям и затоплениям обширных территорий (рис. 1) нанося при этом многомиллионный ущерб населенным пунктам, районам сельского земледелия, линиям электропередач и связи, а также дорожной сети страны (табл. 1).

Особую опасность паводок, переходящий в наводнение, представляет на пойменных участках, где дороги расположены на грунтовых основаниях, сложенных аллювиальными отложениями, включающими илы, глины, плывучие пески и суглинки, относящимися к слабым грунтам (углы внутреннего трения изменяются в диапазоне от 2 до 10°, сила сцепления – от 4000 до 12000 Па, модуль упругости – от 1 до 5,4 МПа). Такие грунты имеют низкую прочность и сопротивляемость к внешним воздействиям (влаге) и поэтому каждый год после периода паводка приходится проводить ремонтные работы по восстановлению дорожного покрытия и земляного полотна автодорог.

Следовательно, защита и сохранение прочности и устойчивости дорожных конструкций от негативного воздействия природно-климатических факторов влажного сезона Вьетнама становится первоочередной задачей.

Рис. 1. Схема затопления речной долины

Таблица 1

Ущерб, причиняемый паводками на дельте реки Меконг

В целях защиты территорий от подтопления и разрушения в дорожном строительстве существует достаточное количество типовых мероприятий и сооружений. Это защитные и регулирующие сооружения, к которым относятся русловыправительные работы, водохранилище, руслорегулирующие сооружения, затопляемые и незатопляемые (каменные, бетонные, ж/б, габионные, мобильные) дамбы обвалования; это повышение естественной поверхности земли посредством намыва и отсыпи.

При выборе наиболее эффективного, экономически целесообразного и экологически безопасного способа защиты от воздействия паводковых вод в данной работе учитывалась степень увлажнения дорожной конструкции (неподтопляемые, подтопляемые и затопляемые) и определялись зоны возможного разрушения, в зависимости от этих условий (рис. 2) [1].

В период влажного сезона при выпадении повышенного количества осадков на территории Вьетнама повсеместно наблюдается подтопление и затопление дорожных конструкций, продолжающееся от нескольких часов до нескольких дней.

С учетом этого наиболее уязвимыми становятся следующие зоны дорожной конструкции:

– в случае (а) – неподтопляемые:

I – зона ударного воздействия атмосферных осадков, оттекания поверхностных вод, эрозии, дефляции и других факторов, действующих на поверхность дороги в условиях ее неподтопления;

II – зона концентрации и движения вдоль подошвы дорожного полотна поверхностных вод, стекающих с дороги и прилегающей к ней местности;

– в случае (б) – подтопляемые:

I – то же, что и в случае (а);

III – зона паводкового волнообразования и нагона воды;

IV – зона паводкового или постоянного подтопления;

V – зона подтопления от меженных вод;

VI – зона возможного углубления от развития размыва при сбросе паводковых вод вдоль дороги (пойменных насыпей);

– в случае (в) – затапливаемые.

VII – зона возможного динамического, фильтрационного воздействия водного потока, карчехода и углубления от развития местного размыва в условиях затопления или перелива воды;

VIII – зона воздействий на поверхность дорог и скоростей течения водного потока, ледохода, твердого стока и карчехода;

IX – зона воздействий на низовой откос при сливе паводочного стока;

X – зона возможного углубления от развития размывов при воздействии паводковых вод, сливающихся по низовому откосу дорожного полотна.

Анализ данной схемы показывает, что для повышения прочности и устойчивости дорожной конструкции необходимо разработать комплекс защитных мероприятий, способных противодействовать ударно-сдвигающим усилиям, возникающим в слоях грунта земляного полотна и дорожных одеждах от силовых, фильтрационных и размывающих воздействий паводковых вод, карчехода, эрозии [3].

а б

в

Рис. 2. Зоны гидрометеорологических воздействий на дорожную конструкцию в зависимости от условий работы: а – неподтопляемые; б – подтопляемые; в – затапливаемые; РУПВ – расчетный уровень поверхностных вод; РУВВ – расчетный уровень высокой воды (наивысший уровень воды в реке); УМВ – уровень меженных вод (средний уровень воды в реке в период между паводками)

Таблица 2

Рекомендуемые типы укрепления откосов земляного полотна

а б

в г

Рис. 3. Укрепление подтопляемых откосов каменной наброской: а – равномерным слоем; б – с упорной призмой; в – с бермой при наличии меженных вод; г – то же, с тюфячным укреплением

В таких случаях первоочередной задачей становится укрепление откосов земляного полотна от размывов. Достичь этого можно способами, приведенными в табл. 2.

В случае (а) (неподтопляемые конструкции) на пойменных участках, имеющих скорость течения потока более 2 м/с, для обеспечения устойчивости низовой части конструкций насыпи, в случае угрозы ее подмыва или понижения от развития эрозии, рекомендуется применять каменные наброски (рис. 3) [1].

В случаях (б) и (в) (подтопляемые и затопляемые конструкции) при скорости течения водного потока 4–6 м/с и более предпочтительно применять конструкции укрепления из матрасов Рено или габионов (рис. 4).

Выбор таких типов укреплений обоснован следующими соображениями. Этим конструкциям можно придать практически любую форму, а при осадке и давлении грунта они не теряют своих прочностных свойств, при изгибе. При выборе качественных материалов конструкции каркаса и грамотной установке габионы могут прослужить более ста лет. Для монтажа не требуется масштабных подготовительных работ, блоки заполняются местными грунтовыми и каменными материалами для фильтрации воды, что позволяет сэкономить на строительстве дополнительных дренажных систем. Сквозь габионы могут прорастать растения, оживляя их, делая частью природного ландшафта [2, 3].

Если в случаях (б) и (в) укрепительных мероприятий недостаточно для повышения устойчивости дорожной конструкции в условиях подтопления, то рекомендуется применять специальные регуляционные сооружения.

С учетом того, что за многие века для защиты территорий от подтопления вдоль речных берегов и морского побережья во Вьетнаме были возведены тысячи километров дамб, то наиболее простым и вместе с тем эффектным решением по отводу от откоса насыпи продольного течения воды является устройство поперечного регуляционного сооружения – траверса (шпора) (рис. 5).

Рис. 4. Укрепление откосов пойменных насыпей от размыва с применением габионных конструкций и матрасов Рено

а б

Рис. 5. Направление граничной струи транзитного потока при устройстве траверса: а – примыкание под углом α ≥ 45°; б – примыкание под углом α < 45°

Траверс представляет собой короткую поперечную дамбу, позволяющую отклонить динамическую ось потока и снизить скорость его течения у размываемых откосов, тем самым уменьшить разрушающее воздействие на откосы. Для их устройства чаще всего используют грунт, дерн и небольшое количество камня, в связи с чем обеспечивается снижение стоимости строительства, по сравнению с более мощным укреплением откоса насыпи. В плане, как правило, траверсы располагают перпендикулярно к дорожному полотну. Они, как и все дамбы, делаются незатопляемыми. Их бровка должна быть также на 25 см выше высокой воды с учетом подпора, волны и поперечного уклона поверхности воды. Ширина поверху траверсов составляет 2–3 м, а в основании 3–4,5 м. Размеры траверса имеют ограничения: ее минимальная длина может быть не меньше четырехкратной глубины воды в ее основании. Только в этом случае местный размыв не будет достигать корня траверса, а вымытый из воронки грунт будет откладываться вблизи корня и с низовой стороны, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Схема размыва дна в голове траверса: 1 – воронка размыва; 2 – отложения вымытого грунта

Наибольшая глубина местного размыва h, в несвязных и связных грунтах у головы траверса определяется как

(1)

где Vr – скорость потока у подошвы головы траверса, м/с; Hr – глубина потока у подошвы головы траверса, м; V0 – размывающая скорость для грунтов, в которых происходит размыв, м/с; Кl – коэффициент, характеризующий увеличение скорости потока в голове траверса при недостаточной длине сооружения; Kλ – коэффициент обтекания траверса потоком, принимаемый равным от 1 до 0,85; Кm – коэффициент, зависящий от коэффициента заложения откоса траверса со стороны русла.

Размывающая скорость V0 для грунтов насыпей зависит от видов грунтов и вида грунта

(2)

где g – ускорение свободного падения (g = 9,8 м/с2); Н – глубина потока воды; d – средний диаметр частиц грунта; Ki = cos α – коэффициент, учитывающий угол α, образуемый осью траверса с автомобильными дорогами.

Скорость потока в голове траверса определяется по формуле

(3)

где Сr – коэффициент Шези, м0,5/c, определяется по коэффициенту шероховатости русла np при глубине потока Hr по формуле ; δ – коэффициент стеснения потока подходами на пойменном участке Qп/Q; Qп – расход воды в расчетный паводок, проходящий в бытовом состоянии на i-й части поймы, перекрытой насыпью; i – продольный уклон свободной поверхности нестесненного потока в расчетный паводок; im – средний уклон свободной поверхности потока перед насыпью.

Расстояние между траверсами LT зависит от длины траверса СT, угла растекания потока воды за траверсом β, угла между направлением продольного течения и линией защищаемого участка γ и от угла наклона траверса α (рис. 7).

При параллельном направлении (g = 0)

(4)

При направлении течения под углом (g > 0)

(5)

Рис. 7. Схема к определению расстояния между траверсами: 1 – линия защищаемого участка; 2 – траверс; 3 – общее направление течения потока воды; 4 – направление течения при обтекании траверса

Также при устройстве данных регуляционных сооружений необходимо учитывать явление возникновения кавитации, которая может привести к дополнительным деформациям и подмыву их головных частей. Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости.

(6)

где Р – гидростатическое давление набегающего потока, Па; PS – давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па; ρ – плотность среды, кг/м³; V – скорость потока на входе в систему, м/с.

Основное различие между ними заключено в том, что при повышении относительной скорости потока относительно тела понижается давление потока до давления насыщенных паров (вакуума). При этом жидкость вскипает и образуются кавитационные парогазовые пузырьки микроскопических размеров. Кавитационные пузырьки, попадая в область повышенного давления, замыкаются (конденсируются) кумулятивными струйками в точки. В этих точках, а их огромное количество, кумулятивные эффекты приводят к точечному повышению давлений до десятков тысяч атмосфер, с образованием точечных температур в десятки тысяч градусов по Кельвину. Кроме того, резкое (внезапное) исчезновение кавитационных пузырьков приводит к образованию гидравлических ударов и, как следствие, к созданию волны сжатия и растяжения в жидкости с ультразвуковой частотой. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она разрушает его поверхность [5].

С учетом этого для гашения скоростей потока вдоль подходной насыпи на пойме следует применять сплошные прямолинейные незатопляемые траверсы, с дополнительным усилением откосов с помощью габионных конструкций, заполненных каменным материалом.

Выводы

1. Учитывая особенности гидрометеорологических факторов Вьетнама, выражающиеся, как в кратковременных, так и в длительных осадках во влажный сезон, сохранение прочности и устойчивости дорожных конструкций в условиях подтопления может быть обеспечено комплексом работ, включающим в себя укрепление откосов пойменных насыпей от размыва и устройство поперечного регуляционного сооружения для отвода от насыпи продольного потока воды.

2. При выборе проектно-строительных решений по обеспечению устойчивости конструкций и укреплению земляного полотна под воздействием гидрометеорологических факторов должны учитываться длительность, частота и динамика факторов гидрометеорологических воздействий; динамическое воздействие водных потоков на укрепляемые объекты; размывов по глубине, причинам и степени возможного их развития в зонах VI, VII и X.