автореферат диссертации по транспорту, 05.22.03, диссертация на тему:Защита железных дорог и других наземных коммуникаций от снежных лавин

ОАО Научно-исследовательский институт транспортного

строительства (ЦНИИС) Сибирский государственный университет путей сообщения

(НИИЖТ)

На правах рукописи Ядрошников Виктор Иванович

ЗАЩИТА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И ДРУГИХ НАЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ ОТ СНЕЖНЫХ ЛАВИН Специальность 05.22.03 - Изыскания и проектирование

железных дорог

Я'-.'г

X

с____

[иссертания н&соискание ученой степени донора технических наук ТОМ 1

Научные консультанты:

Доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ,

академик АТ РФ А.К.Дюнин

Доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, академик АТ РФ Г.С.Переселенков

Москва - Новосибирск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................7

1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ..............................14

1.1. Эксплуатационная надежность и экономическая эффективность противолавинной защиты существующих

железных дорог и других наземных коммуникаций СНГ. . . ..14

1.1.1. Размеры сети, ущерб от снежных обвалов и против о лавинная защита существующих наземных

горных коммуникаций...........................14

1.1.2. Противолавинные мосты, виадуки и эстакады........19

1.1.3. Лавиноотклоняющие сооружения.................23

1.1.4. Лавинотормозящие системы......................27

1.1.5. Противолавинные галереи........................34

1.2. Краткий обзор существующих методов оценки величины

лавинных нагрузок на сооружения.......................44

1.2.1. Определение величины нормальных лавинных нагрузок на основе аналитических моделей снежных обвалов........................................44

1.2.2. Экспериментальные методы оценки величины нормальных лавинных нагрузок.......................55

1.2.3. Существующие способы оценки величины лавинных нагрузок от сил трения снежных обвалов............60

1.2.4. Краткий обзор экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния снега в динамических условиях..............................63

1.3. Анализ современной нормативной базы по проектированию лавинозащитных систем.............................66

1.4. Лавинозащитные системы и трасса железных дорог на лавиноопасных территориях..........................69

1.5. Формулирование проблемы и границ исследования........73

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ЛАВИННЫХ НАГРУЗОК НА ЗАЩИТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ........................................77

2.1. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния снега в динамических условиях ... 77

2.1.1. Аппаратура и методика испытаний................77

2.1.2. Результаты экспериментов и их анализ.............84

2.2. Теоретическая оценка величины нормативных нормальных ударных лавинных нагрузок на сплошные препятствия ............................................. 92

2.3. Экспериментальные исследования нормативных нормальных ударных лавинных нагрузок на сплошные препятствия . 102

2.3.1. Обоснование физического моделирования ударного

взаимодействия снежных лавин с препятствиями . . . .102

2.3.2. Конструкция экспериментальных установок и методика проведения опытов....................... 112

2.3.3. Методика измерения усилий и скоростей движения образцов снега................................119

2.3.4. Результаты экспериментов по исследованию взаимодействия движущихся снежных масс со сплошными нормально установленными препятствиями.........129

2.3.5. Результаты экспериментов по исследованию взаимодействия движущихся снежных масс со сплошными

наклоненными препятствиями....................141

2.4, Экспериментальные исследования нормативных сил трения движущихся снежных масс...........................155

2.4.1. Методика проведения опытов....................155

2.4.2. Результаты измерения величины коэффициента внешнего трения движущихся снежных масс и их анализ .. 157

2.5. Экспериментальные исследования нормативных нормальных

ударных лавинных нагрузок на сквозные препятствия.......164

2.5.1. Экспериментальные установки и методика проведения опытов........................................164

2.5.2. Результаты экспериментов и их анализ..............170

2.6. Нормальные нагрузки от веса лавинного потока........... 178

2.7. Расчетные лавинные нагрузки......................... .184

2.7.1. Уровень обеспеченности лавинных нагрузок.........184

2.7.2. Плотность распределения случайных величин, необходимых для оценки численных значений расчетных лавинных нагрузок............................188

2.7.3. Плотность распределения случайных величин, необходимых для оценки численных значений расчетных нормальных нагрузок от веса лавинного потока......193

2.7.4. Плотность распределения случайных величин, необходимых для оценки численных значений расчетных нагрузок от сил внешнего трения снежных лавин........197

2.7.5. Определение величин расчетных лавинных нагрузок методом статистического моделирования...........199

Выводы по главе......................................201

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЛАВИНОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ........................................205

3.1. Лавинотормозящие системы........................205

3.1.1. Обоснование локального физического моделирования работы лавинотормозящих конструкций..........205

3.1.2. Методика проведения опытов....................212

3.1.3. Результаты экспериментов......................218

3.2. Противолавинные галереи и лавиноостанавливающие сооружения ............................................247

3.2.1. Обоснование локального физического моделирования работы данных конструкций и методика проведения опытов................................247

3.2.2. Результаты экспериментов.....................252

3.3. Лавинорезы, лавинонаправляющие конструкции и искусственные русла....................................261

3.3.1. Обоснование локального физического моделирования работы лавинодефлекторных сооружений и методика проведения опытов..................261

3.3.2. Результаты экспериментов......................264

Выводы по главе.....................................272

4. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛАВИНОЗА-

ЩИТНЫХ СИСТЕМ И ТРАССИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА ЛАВИНООПАСНЫХ ТЕРРИТОРИЯХ.........274

4.1. Противолавинные мосты, виадуки и эстакады...........274

4.2. Лавинодефлекторные сооружения....................279

4.2.1. Лавинорезы................................279

4.2.2. Лавиноотклоняющие стены и дамбы.............284

4.2.3. Искусственные русла......................... 285

4.3 Лавинотормозящие системы........................ 286

4.3.1. Сквозные однорядные лавинотормозящие системы . .286

4.3.2. Многорядные лавинотормозящие системы........ 290

4.4. Противолавинные галереи...........................295

4.4.1. Сочетания и расчет снеголавинных нагрузок.....295

4.4.2. Основные рекомендации по проектированию лави-нозащитных галерей.........................299

4.5. Рекомендации по трассированию железных дорог

и других наземных коммуникаций на лавиноопасных

территориях.....................................313

Выводы по главе....................................317

5. ВНЕДРЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЛАВИНОЗАЩИТНЫХ СИСТЕМ И ТРАССИРОВАНИЮ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА ЛАВИНООПАСНЫХ ТЕРРИТОРИЯХ..........................319

5.1. Противолавинные галереи..........................319

5.2. Лавинотормозящие системы . ...................... 322

5.3. Лавинодефлекторные сооружения...................326

5.4. Трассирование железных дорог на лавиноопасных территориях.....................................327

5.4.1. Новые железные дороги......................327

5.4.2. Реконструируемые железные дороги...........329

Выводы по главе.....................................330

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................331

ЛИТЕРАТУРА........................................336

ВВЕДЕНИЕ

Снежные лавины - грозное стихийное явление в горах. Они вызывают нарушение нормальной работы горных предприятий, электрических станций, наземных коммуникаций и других хозяйственных объектов. По этой причине сходы снежных лавин приводят к ущербу в хозяйственной деятельности и даже к человеческим жертвам. Размеры этого ущерба в последние десятилетия в нашей стране достигли таких масштабов, что на это (наряду с другими природными стихийными бедствиями) неоднократно обращали внимание Центральные государственные органы, которое выразилось в Правительственных Постановлениях 1966 [116], 1978 [117] и 1993 [119] годов. Эта проблема вызывает интерес и у международных организаций. Согласно резолюции Генеральной Ассамблеи ООН от 1987 г. с 1991 года проводится Международное десятилетие по уменьшению ущерба от стихийных бедствий [114].

Если ориентироваться на современное положение, то около 15 % (3,4-10 6 км площади стран СНГ (9 % в России) занимают лавиноопасные территории [29, 143]. В этих местах открыты богатейшие залежи каменного угля, железной руды, цветных металлов и других полезных ископаемых. Здесь же находятся значительные запасы гидроэнергетических ресурсов СНГ.

Для дальнейшего хозяйственного освоения лавиноопасных территорий в СНГ как теперь, так и в будущем необходимы эксплуатация существующих и сооружение новых наземных коммуникаций. Безопасная и бесперебойная работа горных дорог и воздушных ЛЭП (элемент системы их внешнего энергоснабжения) в этих местах в зимний период невозможна без организации их надежной противолавинной защиты.

Решение этой проблемы в современных условиях следует о сущ ест-

влять, как правило, на этапе проектно-изыскательских работ и, главным образом, при трассировании железных дорог и других наземных коммуникаций, основываясь на методиках создания лавинозащитных сооружений: противолавинных мостов, эстакад, виадуков и галерей, лавинона-правляющих конструкций и искусственных русл, а также лавинотормо-зящих систем.

Многолетняя эксплуатация таких защитных противолавинных конструкций в республиках СНГ, особенно в экстремальные по снегонакоплению и лавинопроявлению зимы, показала, что до 35 % этих объектов малоэффективны [14, 99, 20В]. Яркой иллюстрацией этому могут быть события на Памире, Тянь-Шане, Кавказе, Сибири и Дальнем Востоке в зимы 1986/87 и 1996/97 гг: когда там снежными лавинами была нарушена на длительное время бесперебойная работа горных дорог и ВЛ, защищенных прогиволавинными галереями, лавинорезами и лавиноостанав-ливающими системами и искусственными руслами [1, 23, 54, 179, 208].

Как правило, лавинозащитные сооружения строились со значительными резервами по прочности по отношению к величине реальных силовых воздействий лавинного потока, что обычно приводило при их возве дении к значительному перерасходу строительных материалов и денежных ресурсов [196].

Такое положение с лавиинозащитными сооружениями связано с несовершенством существующих методик их проектирования, которое было обусловлено недостаточной изученностью динамики снежных лавин, процесса их взаимодействия с защитными сооружениями, а также отсутствием материалов, обобщающих опыт эксплуатации, строительства и проектно-изыскательских работ по созданию железных дорог и других горных наземных коммуникаций на лавиноопасных территориях.

Так, в нормативных документах, разработанных в последние десятилетия [26,149], снеголавинные нагрузки рекомендовано было опреде-

лять согласно представлениям о лавинном потоке, сформированным еще в 30-х гг. XX века. Основные параметры проектирования лавинозащит-ных сооружений из-за недостатка достоверных знаний о их защитных свойствах, характере их взаимодействия со снежными обвалами при подготовке рабочей документации принимались часто, исходя из интуитивных подходов без достаточного учета предшествующего опыта проектирования, строительства и эксплуатации таких сооружений как за рубежом, так и в странах СНГ [208].

Например, известно, что создатели первых противолавинных систем альпийских горных дорог в виде галерей еще в XVIII веке указывали на необходимость строительства этих сооружений достаточной длины [262]. Однако в современном отечественном противолавинном строительстве на транспорте имели место примеры, когда в целях экономии эти объекты строились короткими без осуществления специальных мероприятий. При сходах снежных лавин эти сооружения полностью засыпались лавинным снегом и, таким образом, на длительное время выводились из эксплуатации они сами и защищаемые ими объекты [202].

Также вызывают удивление факты, когда даже в начале 90-х годов нашего столетия в СНГ проектировались противолавинные галереи с удельным расходом строительных материалов (бетон, железобетон), достигавшим 4 м 7м 2 перекрываемой площади, т.е. с показателем по величине, характерным для каменных и бутобетонных галерей проектировки начала XV - конца XIX веков [203].

Несовершенство существующих методик проектирования лавино-защитных систем решающим образом влияло на принятие проектных решений по укладке трассы железных дорог и других наземных коммуникаций на лавиноопасных территориях, не отличающихся высокой эксплуатационной надежностью и экономической эффективностью.

По этим причинам предприятия электрических сетей, дорожные подразделения республик СНГ несут значительные убытки. При сохране-

нии существующего положения по данным вопросам эти убытки в будущем будут достигать еще больших размеров.

Известно, что в ближайшей перспективе ожидается строительство трансконтинентальной железной дороги от Якутска до Анадыря [17]. Горные участки этой дороги невозможно будет нормально эксплуатировать без противолавинной защиты. Строительство противолавинных сооружений будет необходимо на железнодорожных выходах в Туву (Саяны). Потребуется защищать от снежных лавин горные участки железной дороги Могзон - Уоян (Забайкалье). Разработано ТЭО коренной реконструкции Военно-Грузинской дороги [209]. Должно завершиться создание противолавинной защиты в полном объеме ( 2-я и 3-я очередь) Транскавказской автомобильной дороги через Рокский перевал (дублер Военно-Грузинской дороги) [202].

Необходимо будет строить лавинозащитные сооружения на дорогах Ош - Хорог, Душанбе - Хорог, Душанбе - Термес, Душанбе - Хавает, Ташкент - Душанбе [203] и на Транскиргизской железной дороге (Балыкчи - Кочкор - Кара-Кече) [86]. Потребуется создавать противола-винную защиту на будущих железной дороге Андижан - Ош - Кашгар и автомобильной дороге Андижан - Ош - Иркештам - Кашгар (Узбекистан, Киргизия) [93]. Нужна противолавинная защита и для Кавказской перевальной железной дороги.

Наступает время, когда противолавинные галереи, построенные в 50....60-х гг. нашего столетия на Сахалинской, Куйбышевской и других железных дорогах из-за физического и морального износа будут подлежать разборке и замене на новые лавинозащитные конструкции.

Для создания системы энергоснабжения строительства железных дорог на Чукотке, в Бурятии и Туве потребуется строительство в этих местах воздушных ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения. Необходимо будет сооружение ВЛ и для последующей электрификации этих же-

лезных дорог и бывшего БАМа. Горные участки этого элемента системы внешнего энергоснабжения выше названных железных дорог также должны быть защищены и от воздействия снежных лавин.

Ближайшая перспектива строительства наземных коммуникаций на лавиноопасных территориях стран СНГ и недостаточная эксплуатационная надежность и экономическая эффективность современных систем их противолавинной защиты указывают на необходимость совершенствования методик рационального проектирования лавинозащитных сооружений и на их основе развития рекомендаций по трассированию железных дорог и других наземных коммуникаций на лавиноопасных территориях. Для решения данной проблемы прежде всего необходимо продолжить адаптирование в прикладном плане результатов фундаментальных исследований в лавиноведении, выполненных как в СНГ, так и за рубежом за последние десятилетия.

Значительный вклад в эти исследования внесли отечественные ученые В.Н.Аккуратов, А.Н.Божинский, А.В.Брюханов, В.П.Благовещенский, К.Ф.Войтковский, А.Ф.Гофф, С.С.Григорян, А.К.Дюнин, М.Ч.Залиханов, Э.П.Йсаенко, Л.А.Канаев, С,МДозик, В.М.Котляков, К.С.Лосев, В.С.Матвиенко, Ю.Д.Москалев, С.М.Мягков, Г.Ф.Оттен, В.С.Ревякин, Г.Г.Саатчан, Р.С.Самойлов, И.В.Северский, Г.К.Сулаквелидзе, Е.С.Трошкина, Г.К.Тушинский, С.А.Христианович, В.Ш.Цомая, Й.Е.Шурова, М.Э.Эглит, Ю.Л.Якимов и др.

Важные достижения в этой области имеют и зарубежные исследователи Х.Аулитцки, Х.Бадер, Е.Бухер, А.Вельми, К.Жаккард, Б.Зальм, Д.Иосида, М. Де Кервен, К.Кавада, С.Киносита, Т.Е.Ланг, Е.Р.Ля-Шапелль, М.Мартинелли, М.Меллор, А.Т.Меерс, К.Нишимура, М.Отуотер, Р.И.Перла, Х.Фрутигер, И.Фурукава, В.Хассентейфель, Р.Хейфели, Т.Хуциока, П.А.Шерер, Х.Шимицу, М.Шода и др.

Для решения указанной проблемы целесообразно также учесть разработки по проектированию железных дорог и других наземных ком-

муникаций на лавиноопасных территориях отечественных ученых и инженеров. Значительные достижения по этим вопросам имеют Е.П.Алексеев, О.В.Андреев, В.Ф.Бобков, А.В.Гавриленков, А.В.Горинов, Н.Ф.Дроздовская, Э.П.Нсаенко, И.П.Казимиров, И.И.Кантор, Г.С.Переселенков, В.И.Сербенко, И.В.Турбин, И.Ф.Хвостик, А.А.Цернант, В.Ш.Цамая, А.М.Шепелев и др.

Для решения отмеченных вопросов потребовалось выполнить также обобщение опыта проектных работ по созданию противолавинной защиты наземных коммуникаций. Здесь прежде всего имеются ввиду разработки проектных организаций: Гипротранспуть МПС РФ (Москва, Новосибирск), Ленгипротранс (Санкт-Петербург), Сибгипротранс (Новосибирск), Томсктранспроект (Томск), Востсибтранспроект (Иркутск), Тбила