Магистерская диссертация Суслов А.В. ИВ2 ДВГУПС 2017 (Автоматизированная система мониторинга температуры грунта в районах вечной мерзлоты вдоль железных и автомобильных дорог), страница 4

– температуры наружного воздуха;

– наличие и формирование снежных отложений в зоне мостов;

– учет влияния солнечной радиации ,а также ориентации сооружения относительно сторон света;

– инфильтрация атмосферных осадков;

– фильтрация грунтовых вод;

– наличие растительного покрова;

– наличие постоянного или временного водотока;

– образование наледей в отверстии сооружений;

– технологии строительства и эксплуатации;

– периодические изменения климата в течении времени, сравнимом со сроком эксплуатации сооружения.

Влияние рассматриваемых факторов на температурный режим грунтов не ограничивается только южными районами распространения вечной мерзлоты.

1. Низкие температуры воздуха

Температура наружного воздуха является определяющим фактором формирования вечномерзлого грунта в общем случае. Она определяет состояние температурных полей в основаниях, что особенно важно для искусственных сооружений, имеющих в основании вечномерзлые грунты.

Районы северной строительно-климатической зоны характеризуются: большой продолжительностью холодного периода (более 200 дней); отрицательной среднегодовой температурой наружного воздуха (ниже минус 1⁰С); низкой температурой наружного воздуха наиболее холодной пятидневки (минус 40⁰С и ниже); низкой абсолютной минимальной температурой наружного воздуха, достигающей отметки ниже минус 45⁰С; амплитудой суточного колебания температуры наружного воздуха в течение года, превышающей 30 ⁰С.

Учет температурного фактора для искусственных сооружений получил достаточное развитие в нормативно-технической литературе [СП, СНиПы и прочее [20], а также в научно-исследовательских разработках.

С точки зрения моделирования, данный фактор выступает в роли граничных условий расчетной области. При этом по верхней границе (атмосфера) задается распределение среднемесячных температур в течении года. Так как по поверхности грунта происходит конвективный теплообмен, то при назначении граничных условий учитывается также ряд факторов (солнечная радиация, испарение с поверхности), что обуславливает температурную поправку, вводимую к температурам воздуха. Приведенная температура воздуха определяется согласно рекомендации по методике прогноза ЦНИИС по формуле:

,

где – среднемесячная температура воздуха, °С; и – поправки к среднемесячным температурам воздуха за счёт солнечной радиации и испарения, °С.

Расчет температурных поправок за счет влияния солнечной радиации и испарения с поверхности будет рассмотрено в соответсвующих разделах ниже.

1. Снежный покров, снегозаносы и снегонакопление

Продолжительность периода со снежным покровом в суровых климатических условиях в общем смысле совпадает с периодом отрицательных температур воздуха и составляет 175-225 дней. При этом мощность снежного покрова может находиться в интервале от 10 до 100см.

С точки зрения формирования температурного режима вечномерзлых грунтов в основаниях малых ИССО, снежный покров оказывает на них значительное воздействие.

Согласно исследованиям, проведенным на последние 40-50 лет [14] снежный покров преимущественно может оказывать как отепляющее, так и охлаждающее воздействие на вечномерзлые грунты.

Отепляющее воздействие обусловлено теплоизолирующими свойствами снега, предохраняя мерзлые грунты от теплопотерь в зимний период времени. Охлаждающее влияние снежного покрова обусловлено повышение отражательной способности снега (увеличение альбедо), что уменьшает количество поступаемой на поверхность грунтов солнечной радиации.

Характер влияния снежного покрова на температурный режим вечномерзлых грунтов приведен на графике – рисунок 10. Согласно данному графику при небольшой высоте снежного покрова (т.1) присутствует некоторый охлаждающий эффект за счет отражающего действия снега. При увеличение толщины снега (т.2) наблюдается отепляющее его воздействие, однако при достижении определенной точки (т.3) начинает проявляться охлаждающий эффект в следствие задержек таяния снежного покрова большой мощности в весенний (теплый) период года. При дальнейшем увеличений мощности снега (т.4), он не успевает растаять в летний период, образуются ледники и снежники, что приводит к охлаждению вечной мерзлоты.

Рисунок 10 – График зависимости влияния снежного покрова на температурный

режим вечной мерзлоты от его высоты

Следует отметить, что для северных строительно-климатических условий наиболее характерным является влияние снежного покрова на вечную мерзлоту, как отепляющего фактора.Характер влияния снежного покрова на температурный режим вечномерзлых оснований зависит от мощности выпадаемого снега, наличия мохорастительного покрова и специфики ветрового режима.

Структура и характеристики снежного покрова изменчивы во времени. Согласно имеющимся источникам и исследованиям [22] влияния снежного покрова производится определением коэффициента теплоотдачи, по формуле:

,

где – термическое сопротивление снежного покрова, м² ч°С/ккал;

– коэффициент теплообмена на поверхности грунта, ккал/м²ч °С, приближённо вычисляемый по эмпирической зависимости

,

где – скорость ветра, м/с;

_.,

_. – коэффициент теплопроводности снежного покрова, определяемый расчётом по формуле Проскурякова Б.В.[10]:

_.,

– плотность снежного покрова г/см³.

После строительства ИССО и подходов к нему в значительной степени изменяется естественный режим снегоотложения. Мощность и плотность снежного покрова на различных элементах мостового перехода (конус насыпи, подмостовое пространство, поле) принимаются по имеющимся данным многолетних наблюдений, изложенных в климатологических справочниках, а также с учетом рекомендаций, изложенный в научно-технической литературе [24].

Натурные исследования, а также обзор нормативно-технической литературы позволяют установить, что в пределах мостового перехода присутствует несколько основных зон с различными значениями толщин снежного покрова. Такими зонами являются:

– пойменная и русловая часть (за исключением подмостового пространства), где мощность снежного покрова принимается как в естественных условиях, с учетом формирования метелевых снежных наносов;

– подмостовое пространство, где мощность снега практически нулевая, однако следует также учитывать метелевый перенос снега, который в определенных случаях может приводит к обратному эффекту – полной «забивке» отверстия моста снегом;

– основанная площадка (балластная призма), мощность снега за счет его «уборки» принимается около 10см, высокой плотности;

– откосы подходных насыпей, где мощность снега принимается как в естественных условиях.

Согласно ряду источников [22] плотность снежного покрова, изменяющаяся в течении года, может быть принята осредненной для различного типа.

При этом имеющиеся данные (мощность и плотность снега) могут быть откорректированы в зависимости от полученных натурных данных.

Особенно опасно увеличение высоты снежного покрова в течении последних десятков лет, связанное с периодическими изменениям климата («глобальным потеплением»). Прогнозные расчеты, выполненные в разное время, позволяют установить, что в ближайшие 10-20 лет увеличение толщины снежного покрова станет одним из самых значительных факторов, обуславливающих деградацию вечной мерзлоты.

Отдельное внимание необходимо обратить на вопрос формирования снежных отложений в зоне мостового перехода. Имеющиеся разработки по учету воздействия снега на температурный режим вечномерзлых оснований не отражают ряда особенностей, характерных для искусственных сооружений транспорта. В научной и нормативной литературе недостаточно полно рассмотрен вопрос об особенностях отложения снежного покрова в зоне мостов. Обычно эти рекомендации основаны или на натурных наблюдениях, или же привязаны к метеоданным по снегопереносу [3,4,5]. При этом часто опускается из виду тот факт, что и само сооружение влияет на условия выпадения, перемещениям и накопления снега в районе его расположения.

Теоретические основы формирования снежного покрова в зоне влияния искусственных сооружений с последующими практическими приложениями могут быть построены на основе исследований в области механики метелей профессора А.А. Дюнина [6].

Согласно положениям механики метелей, снежный покров в зоне искусственных сооружений может формироваться в условиях спокойного снегопада, верховой и дефляционной (низовой) метелей.

Определяющим фактором в формировании снежного покрова является скорость ветрового потока. При скорости ветра в приземном слое менее 3-4м/сек снежный покров будет формироваться в условиях спокойного снегопада или верховой метели, а при скорости более 3-4 м/с – в условиях дефляционной метели.

При спокойном снегопаде и верховой метели, снег распределяется по земной поверхности практически равномерно [6]. Исходя из этого, поверхность земли в районе моста и пролетное строение (правда, оно очищается от снега в процессе эксплуатации) будут относительно равномерно покрыты снегом, а подмостовое пространство останется оголенным. Количество отложившегося снега и его мощность для территорий, где имеют место условия спокойного снегопада или верховой метели, может быть определено по данным наблюдений ближайших метеостанций (или справочникам по климату) или по формулам, приведенным в работе проф. А.К.Дюнина [6].

При дефляционной метели осуществляется перенос снега, поэтому распределение его по земной поверхности существенно отличается от случаев спокойного снегопада и верховой метели. Искусственные сооружения являются препятствиями на пути движения метели, и в зоне их расположениях происходит изменение скоростей снеговетрового потока. По характеру работы во время метелей мосты, в первом приближении, можно уподобить снеговыдувающим устройствам. Тогда, теоретический анализ скоростного потока ветра в зоне мостов может быть выполнен с использованием зависимости, описывающей скорость снеговетрового потока в любой точке приземного слоя за препятствием (мостом) [6]:

где - скорость снеговетрового потока в приземном слое за мостом; - тоже в отверстии моста; - средняя скорость снеговетрового потока, переваливающего моста; - средняя скорость снеговетрового потока в поле; - высота моста; - высота зоны действия моста; - высота просвета (отверстия моста); - текущая координата; - соответственно, коэффициенты турбулентности снеговетрового потока в поле, за мостом и в просвете.

Применительно к мостам уравнение (3) может быть представлено в более простом виде при использовании следующих допущений:

– определение приземных скоростей снеговетрового потока за мостом следует производить с учетом его сжатия;

– в начальном сечении струи, проходящей под мостом, можно принять , а далее, на расстоянии , где струя испытывает максимальное сжатие и ее сечение уменьшается до величины ( - коэффициент сжатия), средняя скорость возрастает до .

Если начало координат положить в точке и считать, что в этом сечении ( - просветность моста, т.е. отношение площади просвета к площади всего моста по фасаду), , а скорости соответственно приняты , , - тогда из условия неразрывности струи следует: