УДК 625

Изучение воздействия ветропесчаных потоков на инфраструктуру железных дорог: анализ, моделирование и методы противодействия

Чжичжэн Юй – магистр факультета «Транспортные и энергетические системы» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I  

Аннотация: Данная научная статья посвящена исследованию воздействия ветропесчаных потоков на инфраструктуру железных дорог и разработке методов противодействия этому природному явлению. Значительное внимание уделено изучению влияния ветропесчаных потоков на инфраструктуру железных дорог, включая эрозию рельсовых путей, засорение трасс и угрозы для безопасности движения поездов. Одним из ключевых аспектов статьи является представление различных методов моделирования воздействия ветропесчаных потоков на инфраструктуру железных дорог. Описаны эмпирические, численные и физические модели, используемые для анализа поведения ветропесчаных потоков и прогнозирования уровня угрозы для железнодорожных трасс. Также представлены технические решения и методы, такие как противоветровые сооружения, укрепление рельсовых путей, защитные экраны и метеорологический мониторинг, которые способствуют снижению воздействия ветропесчаных потоков на инфраструктуру железных дорог.

Ключевые слова: ветропесчаный поток, песчаный занос, железнодорожная инфраструктура, песчаные дюны, технические решения.

При строительстве железных дорог необходимо учитывать сложные природно-климатические условия: высокогорную местность, сейсмичность, вечномерзлые грунты, ветропесчаные потоки, подвижные пески и т.д. В проектирование железных дорог при наличии перечисленных условий требуется внимательное изучение изменений природных процессов в пределах намеченной зоны маршрута, также тщательное инженерное исследование с использованием космической и аэрофотосъемок. В ходе исследования и проектирования используются эксплуатационные данные с построенных аналогичных участков и применяются методы моделирования для прогнозирования динамических изменений в геологической среде под воздействием инженерных сооружений.

В многих регионах мира железные дороги сталкиваются с проблемой воздействия ветропесчаных потоков, которые могут вызывать значительные повреждения и снижать безопасность движения поездов. Ветровая эрозия и образование песчаных дюн на рельсовых путях могут привести к затруднениям в эксплуатации и обслуживании инфраструктуры. Это делает изучение воздействия ветропесчаных потоков критически важным для эффективного и безопасного функционирования железнодорожных сетей. При проектировании железных дорог, требуется особый подход и индивидуальные решения, основанные на различных сочетаниях климатических, топографических, инженерных и геологических показателях в конкретной среде.  

Ветропесчаные потоки возникают в различных регионах, где совпадают определенные климатические и геоморфологические условия, способствующие формированию песчаных дюн и их перемещению под воздействием ветра. Равнины, пустыни, полупустыни, сухие ландшафты и береговые полосы на морском побережье часто являются местами, где ветропесчаные потоки становятся проблемой для железнодорожных инфраструктур. Определенные типы почв и грунтов, наличие песчаных образований, геологические структуры и горные хребты, которые могут влиять на формирование и перемещение песчаных частиц.

Ветропесчаные потоки представляют собой природное явление, которое может оказывать значительное воздействие на инфраструктуру железных дорог. Они могут вызывать эрозию верхнего слоя рельсовых путей и балластного материала. Песчаные частицы, переносимые ветром, сталкиваются с поверхностью рельс и балласта, что приводит к их механическому износу. Постоянное воздействие может вызывать образование углублений и воронок, что может снижать устойчивость и гладкость движения поездов. Песчаные дюны, сформированные ветропесчаными потоками, могут перемещаться на железнодорожные трассы и засорять рельсовые пути. Засорение может привести к замедлению скорости движения поездов, а также к повышенному износу колес и рельс, что требует чаще проводить обслуживание. При сильных ветропесчаных потоках песчаные частицы могут образовывать песчаный ветер, что снижает видимость водителей поездов. Ограниченная видимость повышает риски возникновения аварий и несчастных случаев на железнодорожных путях. Поврежденные рельсовые пути и засоренные трассы представляют угрозу для безопасности движения поездов. Потеря устойчивости рельсовых путей может привести к сходу с рельс, особенно при высоких скоростях движения. Засорение пути может привести к нарушению движения, а в некоторых случаях даже к авариям. Противодействие ветропесчаным потокам требует дополнительных затрат на обслуживание и ремонт железнодорожной инфраструктуры. Борьба с эрозией и засорением трасс потребует регулярного очищения пути, ремонта поврежденных участков, а также возможного строительства противоветровых сооружений.

Моделирование и прогнозирование воздействия ветропесчаных потоков являются важным компонентом в борьбе с этим природным явлением и разработке соответствующих мероприятий для защиты железнодорожной инфраструктуры. С помощью математических моделей и численных симуляций можно анализировать поведение ветропесчаных потоков в различных климатических и географических условиях и предсказывать возможные угрозы для железнодорожных трасс. Существует несколько типов моделей, которые можно использовать в этом контексте: Эмпирические модели: основанные на реальных наблюдениях и данных, позволяют оценивать характеристики ветропесчаных потоков на основе определенных параметров, таких как скорость ветра, тип поверхности, наличие растительности и другие факторы; Численные модели: используют математические методы для решения уравнений, описывающих движение воздуха и песчаных частиц. Численные модели способны предсказывать сложное поведение ветропесчаных потоков в различных условиях, но они требуют значительных вычислительных ресурсов. Физические модели: создаются в лабораторных условиях и используются для изучения основных процессов, определяющих воздействие ветропесчаных потоков. Они позволяют получить более точные результаты, но также могут быть дорогостоящими и ограничены в масштабах исследования.

При моделировании ветропесчаных потоков важно учитывать различные климатические и географические факторы, которые могут влиять на их поведение. Это включает скорость и направление ветра, температуру, влажность воздуха, характеристики рельефа, типы почвы и наличие растительности. Интеграция этих данных позволяет создавать более точные и реалистичные модели воздействия ветропесчаных потоков в конкретных регионах. На основе результатов моделирования и симуляций можно прогнозировать уровень угрозы для железнодорожных трасс от воздействия ветропесчаных потоков. Это позволяет идентифицировать уязвимые участки и разрабатывать стратегии противодействия. Моделирование также может помочь оценить эффективность различных технических решений и инженерных сооружений для защиты железнодорожной инфраструктуры.

Также можно разрабатывать мероприятия для снижения воздействия ветропесчаных потоков на инфраструктуру железных дорог. Это может включать строительство противоветровых сооружений, укрепление берегов или рельсовых путей, создание защитных зон с растительностью и другие технические решения. Эти меры направлены на защиту рельсовых путей, балластного слоя и других элементов инфраструктуры от эрозии и засорения, а также на повышение безопасности и надежности функционирования железнодорожной сети. Противоветровые сооружения, такие как песчаные барьеры, кустарники, зеленые насаждения и защитные экраны, создают преграду для ветровых потоков и предотвращают перемещение песчаных частиц на рельсовые пути. Посадка деревьев или растений вдоль трасс может снизить скорость ветра и служить эффективной защитой от эрозии и образования песчаных дюн. С целью предотвращения эрозии рельсовых путей и балластного слоя можно применять специальные технические решения. Например, использование прочных материалов для балласта и рельс, а также геосинтетических материалов, которые позволяют укрепить инфраструктуру и снизить влияние ветропесчаных потоков. Размещение защитных экранов и ограждений вблизи железнодорожных трасс может предотвратить засорение рельсовых путей песчаными частицами. Эти конструкции могут выступать в роли барьеров и предотвращать попадание песка на пути движения поездов. Регулярная уборка и обслуживание железнодорожных трасс является важным методом противодействия воздействию ветропесчаных потоков. Частое устранение заносов песка с рельсовых путей, балластного слоя и путепроводов снижает вероятность эрозии и засорения, однако это и повышает затраты на обслуживание железнодорожной инфраструктуры. Системы метеорологического мониторинга позволяют отслеживать изменения ветровых условий и предсказывать вероятность образования ветропесчаных потоков. Это позволяет своевременно предпринимать меры противодействия и предотвращать возможные проблемы на железнодорожных трассах. Геометрические изменения железнодорожных трасс могут также снизить воздействие ветропесчаных потоков. Например, при трассировании предпочтение отдается местам вдоль форм рельефа, в межбарханных понижениях. Эти места обычно менее подвержены активному перемещению песка, что уменьшает вероятность засыпания дороги. Кроме того, при необходимости пересечения водоразделов выбирают наиболее низкие седла, чтобы уменьшить воздействие ветров и перемещение песчаных масс через дорожное полотно. Также создание уступов и выемок вдоль путей может улучшить ветровые характеристики и уменьшить образование песчаных дюн.

При необходимости создания выемок их поперечный профиль должен быть спроектирован с учетом глубины самой выемки. В зависимости от этой глубины используются различные варианты откосов, чтобы обеспечить устойчивость и предотвратить песчаные заносы. Для мелких выемок с глубиной до 2 метров используются раскрытые откосы с крутизной не менее 1:10 [4]. Это означает, что стороны выемки наклонены круче, чем 1 метр в ширину на 10 метров в высоту. Более пологие откосы предохраняют выемки от засыпания песком, так как увеличивают скорость ветрового потока внутри выемки и препятствуют осаждению песчаных частиц. Если выемка имеет глубину более 2 метров, то откосы проектируются менее крутыми с крутизной не круче 1:1,75-1:2 [4]. Это делается для обеспечения устойчивости более глубоких выемок, где более пологие откосы предотвращают обрушение и разрушение стенок выемки под воздействием ветропесчаных потоков. На участках с сильными заносами песка выемки проектируют с кювет-траншеями у подошвы откосов. Кювет-траншеи – это каналы, которые находятся у основания откосов выемок. Они должны иметь ширину не менее 4 метров и глубину до 0,6 метров. Эти каналы помогают собирать и удерживать перемещающийся песок, предотвращая его попадание на дорожное полотно. На участках, где распространены барханные незаросшие и слабозаросшие песчаные дюны, рекомендуется строить насыпи высотой не менее 0,6 м [4]. Это позволит предохранить земляное полотно от засыпания песком и предотвратить его выдувание при дефляции. Однако, чтобы предотвратить подвижность песчаных дюн, которая может угрожать инфраструктуре, рекомендуется использовать насыпи высотой 0,9 м и более [4]. При этом материал для насыпей может быть взят из резервов глубиной до 0,2 м.

Помимо правильной высоты насыпей, также следует предусмотреть меры по укреплению откосов и обочин земляного полотна. Это может включать использование специальных укрепляющих материалов, геосинтетических элементов, вяжущих материалов или применение комбинированного метода. В степной зоне, где климат и почвенные условия обычно более благоприятны для роста лесной растительности, обычно создание лесных культур осуществляется без предварительного закрепления песков. Это связано с тем, что в таких зонах наличие растительности обычно более стабильно, и засыпание песком не представляет столь серьезной угрозы. Однако в более экстремальных условиях, как в полупустынной и пустынной зонах, где рост лесной растительности осложнен из-за недостатка влаги и других питательных веществ, проводится активное закрепление песков. Важно отметить, что если используемое вяжущее вещество обладает свойствами гербицида и может нанести вред черенкам и саженцам растений, то его применение может оказаться неэффективным и даже опасным для сохранности защитной корки [5]. Для решения таких проблем, когда вяжущее вещество может негативно влиять на рост растений, часто применяют подход, который включает предварительный посев семян песколюбивых растений, а затем обработку поверхности песка вяжущим веществом. Укрепление откосов и обочин поможет снизить риск обрушения или разрушения насыпей под воздействием ветропесчаных потоков и предотвратить смещение песчаных частиц на дорожное полотно. Таким образом, проектирование поперечного профиля выемок зависит от их глубины и способствует предотвращению песчаных заносов и обеспечению устойчивости инфраструктуры в условиях ветропесчаных потоков.

Сопротивление воздействию ветропесчаных потоков на инфраструктуру железных дорог требует финансовых вложений для разработки и реализации технических решений. Экономический анализ и оценка стоимости играют важную роль в процессе принятия решения о том, какие меры противодействия следует принять и какие технические решения наиболее эффективны с точки зрения экономической целесообразности. Первый шаг в экономическом анализе – это сравнительное изучение различных технических решений и методов противодействия ветропесчаным потокам. Важно определить, какие меры будут наиболее эффективны в конкретных географических и климатических условиях, а также учитывать специфические характеристики железнодорожной инфраструктуры. Оценка стоимости реализации технических решений включает в себя оценку затрат на материалы, трудовые ресурсы, проектирование, строительство и обслуживание сооружений. Экономический анализ должен включать оценку экономической выгоды, которая будет получена в результате применения технических решений. Это может включать снижение расходов на обслуживание и ремонт инфраструктуры, уменьшение простоев и повышение эффективности движения поездов. Необходимо учитывать риски, некоторые технические решения могут быть более подвержены износу или требовать более частого обслуживания, что может повлиять на общую стоимость в долгосрочной перспективе. Оценка экономической целесообразности также включает анализ сроков окупаемости инвестиций. Определение, через сколько времени затраты на реализацию мероприятий будут компенсированы снижением расходов или повышением доходов, помогает принять решение о приоритетах внедрения технических решений.

Проблема воздействия песчаных потоков на железнодорожные пути имеет важное значение для надежности и безопасности функционирования железнодорожных систем. Следует отметить, что наиболее успешные решения обусловлены комплексным подходом, включающим технические, инженерные, экологические и экономические аспекты. Эффективное решение проблемы требует учета местных условий, адаптации методов противодействия и оценки их экономической целесообразности.

Список литературы

1.     Безрук В. М. и др. Строительство дорог на засоленных грунтах и подвижных песках. – Москва: Автотрансиздат, 1953. – 202 с.

2.      Борисов А. Н. Основные принципы проектирования трассы железных дорог в районах подвижных песков / Автореф...канд. тех. наук. – Новосибирск,1982. – 19 с.

3.     Закиров Р. С. Теория и практика защиты железных дорог от песчаных заносов. – Ташкент: Фан, 1987. – 128 с.

4.     Кантор И. И. Изыскание и проектирование железных дорог. – Москва: ИКЦ «Академкнига» 2003. – 288 с.

5.     Мирахмедов М. М., Абдуллаев Х., Худоёров А. Меры по смягчению негативного воздействия ветропесчаного потока на состояние инженерных сооружений в песчаной пустыне: состояние и перспективы // Транспорт шелкового пути, 2020, № 4, С. 61-68.

6.     Музаффарова, М. К. Новое в защите железных дорог от песчаных заносов / М. К. Музаффарова, М. Х. Махмудова // Молодой ученый, 2020, № 9 (299), С. 33-34.