Анализ работы железнодорожного пути в условиях слабосточных марей и высокотемпературной мерзлоты (на примере района обхода Бурейского водохранилища).

ВВЕДЕНИЕ

Изыскания, проектирование и эксплуатация земляного полотна железнодорожного пути на маревых слабосточных участках в районах распространения многолетнемерзлых грунтов сопровождается появлением сложных задач обеспечения устойчивости и надежности и бесперебойной работы линий в их пределах. Надёжное земляное полотно на многолетнемерзлых грунтах в основании построить сложно и достаточно дорого. Этого можно достичь либо предварительным протаиванием и уплотнением грунтов основания на достаточную глубину, либо построить земляное полотно на искусственном основании. В настоящее время нередки случаи принятия стандартных проектных решений конструкций земляного полотна на этих участках, которые против ожидаемого эффекта сохранения многолетнемерзлых пород, приводят к их деградации, увеличению мощности сезонно-талого слоя, развитию термокарстовых явлений, застою воды вблизи земляного полотна, формированию обратных уклонов в руслах водоотводных канав и т.п. Проблема устойчивости транспортных сооружений в сложных инженерно-геологических и геокриологических условиях территорий является крайне актуальной. Следует назвать имена В. И. Вернадского, В. А. Обручева, М. И. Сумгина, П. И. Мельникова, В. П. Мельникова и других ученых, которые занимались данными вопросами. Эти вопросы анализируются в трудах зарубежных специалистов и на международных конференциях ^{[1,2,3,4,5,6]}. Анализ условий, причин и закономерностей развития экзогенных геологических процессов на территории исследований с участками распространения высокотемпературной мерзлоты, где развиваются неблагоприятные процессы и явления опубликован в трудах Е.А. Козловского ^[16], Г.П. Минайлова ^[19], В.Г. Кондратьева ^[17], С.М. Ждановой ^[11], Горшкова Н.И. ^[9] , П.И. Дадышко ^[10] и др.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Авторы анализируют результаты проектирования и строительства новых и реконструкции эксплуатируемых железных дорог, строительства вторых путей в районах распространения многолетнемерзлых грунтов и слабосточных марей на основе научного учета геоморфологических, геологических, гидрогеологических и геокриологических условий районов строительства и эксплуатации железных дорог на основе действующих нормативных документов, обобщения решений проектных организаций и собственного опыта исследований. Мари в районах распространения многолетнемерзлых грунтов представляют собой слабосточные заторфованные участки с редкой растительностью, преимущественно с лиственницей и наличием грунтовых вод типа верховодки. Малые уклоны поверхности марей существенно затрудняют поверхностный сток. Атмосферные осадки в этом случае поглощаются слоем торфа, влажность которого может достигать 1000 %, увеличиваясь в некоторых случаях до 3000 % ^[16]. Накапливаясь таким образом в слое торфа атмосферная вода фильтрует с небольшой скоростью к местам разгрузки – тальвегам. Причем, открытая поверхность воды на марях, как правило, отсутствует или находится в тонком слое между кочками и в слое мохоторфяной растительности. В летний период при испарении влаги из торфа (транспирации) отводится тепло, что способствует сохранению многолетнемерзлых грунтов на небольшой глубине от поверхности, обычно 0,8 – 1,2 м. ^[12]. Появление открытого водного пространства приводит к нагреву его (пространства) солнцем и аккумуляции тепла и, как следствие, к оттаиванию и увеличению глубины залегания кровли многолетнемерзлых грунтов и дальнейшим просадкам земляного полотна ^[8]. Зачастую, открытое водное пространство и застой воды образуется в продольных водоотводных канавах, устраиваемых у железных или автомобильных дорог, при малых значениях продольных уклонов и в местах противоуклонов. В этом случае, водоотводные канавы становятся «водосборными» и аккумулируют воду с обширных участков прилегающих марей у подошвы и в основании земляного полотна ^[20]. Все это вместе взятое приводит к значительному обводнению и оттаиванию многолетнемерзлых грунтов основания, просадкам и деформациям земляного полотна.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

В настоящий период времени планами развития полигона железных дорог в Дальневосточном регионе предусматривается значительное увеличение объемов перевозимых грузов к незамерзающим морским портам – Советская Гавань и Ванино, а значит увеличения нагрузок на основания. Основным транспортным коридором для этого служит Байкало-Амурская магистраль и рокадные к ней линии. Это районы широкого распространения слабосточных марей на высокотемпературных мерзлых грунтах. Цель работы выявление условий и причин проявления неблагоприятных процессов и явлений возникающих в ходе эксплуатации линий. Они вызывают большие проблемы для обеспечения безопасной и надежной работы всех сооружений, т.к. в этих сложных инженерно-геологических и геокриологических условиях проявляются неблагоприятные геокриологические процессы и явления, описанные в статье. Авторы поставили перед собой задачи критического анализа применяемых конструкций, причин их не всегда успешной работы, а также предложили некоторые проектные рекомендации, которые, по их мнению, позволят сделать работу устройств железнодорожного пути более надежной и безопасной, позволят снизить эксплуатационные затраты.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Основные методы полевых работ – рекогносцировочные исследования и натурные полевые осмотры участков, дешифрирование космических снимков высокого разрешения, размещенных на сервисах Google Earth, морфометрическое описание участков проявления опасных геокриологических процессов, выявление водопроявлений, георадарные исследования, теплотехнические расчеты. Проанализировано значительное количество фондовых и литературных источников по эксплуатации линий в пределах восточного участка БАМа – мерзлотной станции ОАО РЖД, институтов Дальжелдорпроект, Дальгипротранс, Дальневосточного государственного университета путей сообщения, архивов ОАО РЖД, материалы инженерно-геологического бурения. Произведен детальный анализ геоморфологических, инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических условий района.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изученный участок линии, получивший название «междуречье», пересекает долину реки Адникан и ее притоков, долину реки Южная Эльга, водораздел между долинами рек Адникан и Дубликан, долину реки Дубликан, долину реки Солони и ее притоков (рис. 1). Характерными особенностями «междуречья» и других участков региона является широкое распространение низко– и высокотемпературных многолетнемёрзлых грунтов сливающегося типа, значительная заболоченность территории, сплошное распространение слабых глинистых грунтов в верхней части геологического разреза. Так если в среднем на территории Верхнебуреинской впадины на долю мёрзлых грунтов приходится 60-65 % площади, то по трассе обхода талики встречены только на переходах через реки и крупные ручьи, а также на хорошо дренированных склонах ^[13]. На температурный режим мёрзлых грунтов оказывают влияние геоморфологические условия, микрорельеф, экспозиция и крутизна склонов, наличие и вид растительности, уровень грунтовых вод. Наиболее охлаждёнными в пределах впадины являются участки высокой поймы р. Бурея и её притоков – температура горных пород на глубине 10 метров здесь около минус 3,0ºС (низкотемпературная мерзлота), при толще слоя мерзлоты до 75 метров. На первой надпойменной террасе толща мёрзлых пород сокращается до 50-55 метров, температура их повышается до минус 2,5ºС и выше (низкотемпературная мерзлота). На второй надпойменной террасе, где условия дренирования лучше, толща мёрзлых пород сокращается до 40 м, а температура не превышает минус 2,0ºС. Низкие температуры мерзлоты вызваны не только чрезмерной суровостью климата (среднегодовые многолетние температуры воздуха по Ургалу составляют минус 3,7 ºС), а являются в основном следствием наличия специфичных напочвенных покровов (торфа, мха), большой увлажнённости их и относительно небольшой толщины снежного покрова. Инженерно-геологические условия «междуречья» характеризуются широким распространением торфа талого и мерзлого IV категории просадочности мощностью до 2 метров, включая слой талого торфа, мощностью до 1,2 метра, супеси с гравием и галькой мерзлой III категории просадочности или суглинков мерзлых III и, лишь в отдельных местах, IV категории просадочности.

1 - участок линии Известковая – Новый Ургал; 2 - реки района; 3 – поселки и разъезды. 4 – пересечение местного водораздела с малыми перепадами высот по прямой для обеспечения требуемого продольного уклона водоотводных канав и исключения трех кривых

Рис. 1. Район «междуречья» рек Адникан, Южная Эльга, Дубликани и Солони в пределах Верхнезейской впадины – участок Буреинского обхода.

Долины рек Адникан, Южная Эльга, Дубликан и Солони сложены мерзлыми галечниковыми грунтами (III), подстилаемые алевролитами (II) или песчаниками (II) категории просадочности, указанной в скобках. Водоразделы между долинами перечисленных рек сложены мерзлыми супесями III категории просадочности или суглинков III и, лишь в отдельных местах, IV категории просадочности мощностью до 2,5-4,0 метров, местами увеличиваясь до 6 и более метров. Гидрогеологические условия "междуречья" характеризуются наличием надмерзлотных грунтовых вод, залегающих у поверхности и до глубины 1 метра ^[19]. Одним из факторов неизбежным при техногенном освоении территории является изменение этих условий (ликвидация и замена природных напочвенных покровов, осушение местности), а также строительство теплопоглощающих сооружений, ведёт к увеличению мощности слоя сезонного протаивания-промерзания, повышению температур и глубокому протаиванию многолетнемёрзлых грунтов основания, что является основным фактором проявления большого количества и значительных по величине деформаций железнодорожного пути ^[16]. На рис. 2 показаны результаты прогнозных теплотехнических расчётов, выполненных на момент максимального протаивания грунтов (начиная с 2012 г) – октябрь 2017 г., 2022 г. и 2032 г. расчетного года, соответственно, на 5, 10 и 20 годы эксплуатации построенной насыпи.

1 - техногенные насыпные грунты земляного полотна, 2- мохорастительный торфяной слой, 3 - суглинок талый (мерзлый), 4 - галечниковые грунты основания земляного полотна мерзлые, 5 – положение ВГВМ 5-го расчетного года, 6 - положение ВГВМ 10-го расчетного года, 7 - положение ВГВМ 20-го расчетного года, 8 – изотермы октябрь 20-го расчетного года

Рис. 2. Результаты прогнозного теплотехнического расчета насыпи перегона Дубликан-Новый Ургал ДВост.жд

Результаты расчетов показывают, что глубина протаивания на 10-ый расчетный год в районе скв. 1/12 (северная сторона), составит 6,1 м, в районе скв. 2/11 (южная сторона) – 11,3 м, под осью пути – 11,8 м (рис. 2). Абсолютная величина оттаивания многолетнемерзлых грунтов в основании насыпи под осью пути за 10 лет составит 1,0 м. Средняя скорость оттаивания будет равна 10 см в год, просадка оттаявших грунтов основания насыпи, при этом, составит 30-40 мм/год. Таким образом, доля тепловых деформаций в общей годовой просадке (100-120 мм/год) земляного полотна составляет 25-35 %. Остальная часть деформаций (70-80 мм/год) реализуется за счет пластических деформаций расползания насыпи, выпора слабых грунтов основания и внедрением суглинков основания в крупнообломочные грунты тела насыпи. Другим фактором, усложняющим строительство и эксплуатацию, является широкое распространение низко– и высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов в основании земляного полотна, просадочных при оттаивании ^[9]. Широко встречаются грунты с относительной просадочностью от 0,2 до 0,5 (III и IV категории просадочности, «слабых» и «просадочных» по ВСН 61-89). Причём эта группа представлена не только торфами и глинистыми грунтами, но и песками различной крупности и даже – галечниковыми грунтами (просадочность до 0,2-0,3). При значительной толще этих грунтов в основании и глубоком протаивании осадки земляного полотна могут достигнуть величины от десятков сантиметров до 1,5-2-х метров и более. Глубина сезонного промерзания грунтов на таких участках изменяется в широких пределах в зависимости от вида подстилающего грунта и вида напочвенных покровов – от 0,6 до 3,5 метров. Наибольшая глубина промерзания – 3,0-3,5 метра – отмечена в крупнообломочных грунтах. В регионе проявляется термокарст, техногенные наледи исезонное морозное пучении, заболачивание.

В данных условиях при проектировании и строительстве применены следующие проектные решения и конструкции:

– насыпи высотой до 3 метров из дренирующих грунтов.

– выемки глубиной до 12 м в глинистых грунтах и в скальных размягчаемых, разрабатываемые под насыпь (защитный слой), толщина защитного слоя установлена из условия ограничения деформаций пути под воздействием морозного пучения.

Минимальная высота насыпей принята с учётом снегозаносимости и учётом допустимого равномерного пучения («на сырых и мокрых основаниях»), с учётом подтопления, а на болотах – с учётом допустимых упругих деформаций земляного полотна.

Земляное полотно на высокотемпературных (– 2^оС и выше) многолетнемёрзлых грунтах оснований запроектировано по принципу использования грунтов в оттаивающем талом состоянии с учётом изменения первоначальной поверхности вечномёрзлых грунтов (протаивание и осадка) в процессе строительства и эксплуатации, т. е. по второму принципу.

Отвод поверхностных вод от земляного полотна осуществляется: у выемок – кюветами, кювет-траншеями и нагорными канавами, у насыпей – водоотводными канавами.

При насыпях высотой менее 1,5 м с поперечным уклоном местности менее 0,02, а также на марях, водоотводные канавы запроектированы с двух сторон от насыпи. Технологическая притрассовая автодорога запроектирована с верховой стороны от железной дороги, нагорные и водоотводные канавы – запроектированы за автодорогой, в пазухе между автодорогой и железной дорогой. Расчётные расходы приняты с вероятностью превышения 1 % для кюветов, нагорных канав и водосбросов и 3,3 % – для продольных и поперечных канав.

Откосы насыпей на участках подтопления паводковыми водами рек района укрепляются глыбовым грунтом – «скальной наброской». Дно и откосы кюветов, нагорных и водоотводных канав в глинистых грунтах укрепляются скальным грунтом слоем 30 см.

В настоящее время по прошествии 14 лет после строительства на участке числится большое количество деформирующихся мест земляного полотна, что объясняется следующими факторами.

Во первых - при проектировании, были приняты решения, не соответствующие специфике природных условий района, использование недостоверных и ошибочных данных инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий. Это, прежде всего, проектные решения (главным образом водоотводов) и использование грунтов, непригодных для отсыпки земляного полотна.

Примером является выемка глубиной более 20 метров, запроектированная в слабых грунтах, представленных супесью текучей консистенции, которой уже почти заилен кювет (рис. 3). На этом же откосе выемки отчетливо виден бугор пучения на высоте 5-7 м (рис. 4). При дополнительном его обводнении атмосферными осадками возможен сплыв откоса выемки.

Кроме того, в нижней части откоса выемки обнаружен концентрированный выход грунтовой воды, видны остатки наледи, образующейся вследствие разгрузки подземных вод (рис. 3). Тем не менее при инженерно-геологических изысканиях наличие грунтовых вод не обнаружено.

Во вторых - причиной деформаций также является большой объем земляных работ по сооружению элементов земляного полотна, главным образом водоотводных канав, запроектированных и построенных как с верховой, так и с низовой сторон от земляного полотна.

Проектирование трассы обхода, главным образом, плана выполнено без учета требований об обеспеченном отводе поверхностных вод и достаточном проектным уклоном продольного профиля канав.

В первые годы после строительства это привело к избыточному обводнению, подтоплению, а на отдельных участках – к фильтрации воды в грунтах основания земляного полотна (рис. 5), к скоплению и застою воды в канавах перед земляным полотном, устроенных, в том числе, с низовой стороны (рис. 6).

По прошествии трех лет после строительства водоотводные канавы, отрытые как с верховой, так и с низовой сторон земляного полотна практически полностью заилены и заросли кочкой, травой и кустарником, заболочены. Это сделало невозможным отвод поверхностных вод и привело к образованию многочисленных участков застоя воды.

Аккумулированное тепло в местах застоев воды привело, в свою очередь, к оттаиванию многолетнемерзлых грунтов под руслом канав с захватом основания земляного полотна и, как следствие, просадкам насыпей и берм с отрывом откосов (рис. 7, 8).

Следует подчеркнуть, что при проектировании плана железнодорожного пути в таких условиях наиболее эффективно трассировать линию через локальные повышенные участки местности, с целью обеспечения необходимого уклона проектного профиля водоотводных канав не менее 4 промилей для обеспечения стока воды. На рис. 1 показан участок такого спрямления пересечение местного водораздела с малыми перепадами высот по прямой для обеспечения требуемого продольного уклона водоотводных канав и исключения трех кривых

Прогрессирующая деградация многолетнемерзлых грунтов основания приводит к просадкам берм и образованию новых мест застоя воды, что опять же способствует деградации мерзлоты «вширь» и «вглубь» (рис. 9).

Кроме того, увеличение глубины залегания подошвы сезонно-мерзлого слоя под руслом канав способствует образованию техногенных наледей (рис. 10) ^[18].

При неблагоприятных метеоусловиях объемы наледей могут быть значительно большими и угрожать безопасности и бесперебойности движения поездов.

Необходимо отметить, что в пределах мари, пересекаемой трассой обхода, расположено 17 рек и ручьев, которые отводят всю атмосферную воду с мари и без образования открытой поверхности воды. Тем не менее на участке обхода запроектировано и построено около 30 малых мостов и труб.

При строительстве мостов порою допущено чрезмерное заглубление русла водотоков до глубин 3,5 метров и скопления больших объемов воды (рис. 11, 12).

На таких участках, в процессе эксплуатации, происходит оползание откосов канав и, в последующем, нарушение продольного профиля канавы и ее заиливание. Тем самым ухудшаются условия водоотвода, что способствует росту неравномерных осадок земляного полотна.

ВЫВОДЫ

Для изученного участка характерными особенностями является значительная заболоченность территории и широкое распространение низко– и высокотемпературных многолетнемёрзлых грунтов сливающегося типа. Такое строение является характерным для многих участков линий региона. В этих сложных условиях имеются случаи нерационального и неэффективного проектирования, что приводит к обводнению основания земляного полотна, деградации верхней границы мерзлых грунтов, и деформациям оснований земляного полотна и искусственных сооружений. Нередки случаи использования для отсыпки земляного полотна и его элементов непригодных грунтов и превышение объемов земляных работ при строительстве. В этих условиях рекомендуется при проектировании плана железнодорожного пути трассировать линию через локальные повышенные участки местности, с целью обеспечения необходимого уклона проектного профиля водоотводных канав не менее 4 промилле. Водоотводные канавы вдоль пути располагать на расстоянии, исключающем приток воды в основание земляного полотна. Не допускать отклонений от проектных решений и нарушений технологии производства работ.