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
Год |
Площадь затопленных и нарушенных полей, тыс. га |
Нарушенных дорог, км |
Сумма ущерба, млн долл. |
2000 |
401342 |
11477 |
1955,6 |
2001 |
20691 |
7184 |
767,9 |
2002 |
14019 |
3861 |
228,4 |
2004 |
3426 |
- |
17,1 |
2005 |
2723 |
870 |
3,7 |
2011 |
27418 |
7305 |
2197 |
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
Типы укрепления |
Предельно допустимые критерии факторов гидрометеорологических воздействий |
||
длительность подтопления, сут |
скорость течения, м/с |
высота волны, м |
|
Одерновка сплошная |
Менее 20 |
До 1,2 |
До 0,3 |
Одерновка в клетку |
Менее 20 |
До 0,6 |
До 0,2 |
Посадка кустарника сплошная |
Менее 20 |
До 2 |
До 0,5 |
Лесопосадки |
Менее 20 |
Не более 2 |
До 0,5 |
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.
Библиографическая ссылка
Рябова О.В., Глагольев А.А., Чан Ван Зы РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЕ АВТОДОРОГ НА ПОЙМЕННЫХ УЧАСТКАХ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 4-2. – С. 316-322;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40174 (дата обращения: 16.08.2024).