ГЛАВА 1. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СЕЗОННЫХ УСЛОВИЙ НА ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
1.1 Современное состояние вопроса развития транспортной инфраструктуры лесозаготовительного комплекса в России
Одной из целей Стратегии развития лесного комплекса России до 2030 года. Является достижение устойчивого лесоуправления, инновационного и эффективного развития использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов, обеспечивающих опережающий рост лесного сектора экономики, социальную и экологическую безопасность страны, безусловное выполнение международных обязательств России в части лесов.
Одним из рисков, определяемых данной Стратегией, является риск недостатка ресурсов. Предприятия лесного комплекса могут столкнуться с недостатком ресурсов для производства конечной продукции.
К данному риску относятся сырьевые, финансовые и кадровые ресурсы. Недостаток сырьевых ресурсов связан с их истощением либо неверной исходной оценкой.
Истощение ресурсной базы может быть вызвано ее чрезмерным использованием либо сокращением вследствие природных катаклизмов. Кроме того, недостаток сырьевых ресурсов усиливается из-за необходимости сохранения малонарушенных лесных территорий, выделяемых природоохранными организациями в рамках добровольной лесной сертификации.
В настоящее время одним из конкурентных преимуществ для экспортно-ориентированных лесопромышленных предприятий является наличие сертификата Лесного попечительского совета, одним из требований при получении которого является сохранение малонарушенных лесных территорий.
Развитие лесоперерабатывающих мощностей, предусмотренных Стратегией, будет происходить и за счет освоения новых лесных массивов, которые в том числе представлены малонарушенными лесными территориями. Минимизация указанных рисков достигается за счет интенсивного использования и воспроизводства лесов, реализации мероприятий по лесоустройству в приоритетных регионах, поддержке лесного хозяйства и развития сети особо охраняемых природных территорий.
Кроме того, доступность сырьевой базы будет повышаться за счет развития существующей и строительства новой лесотранспортной инфраструктуры.
Величина расчетной лесосеки России, исчисленная согласно действующим правилам, на 2020 год составила 703 млн. куб. метров, объем лесозаготовки в 2020 году составил 213,8 млн. куб. метров, то есть освоение расчетной лесосеки составило 30,4 процента [83]. Несмотря на невысокий абсолютный уровень освоения расчетной лесосеки в экспертном сообществе ведутся споры относительно доступного потенциала увеличения заготовки с учетом экономической целесообразности (обеспечения конкурентоспособной себестоимости заготовленной древесины), обеспечения принципов устойчивости и неистощительности лесопользования.
По оценке экспертов, предельная расчетная лесосека, освоение которой не требует строительства новых железнодорожных магистралей, составляет порядка 340 млн. куб. метров. Данная оценка не учитывает фактическую транспортную связь территорий (например, наличие крупных рек или иных естественных препятствий), характер рельефа (в том числе крутые и очень крутые склоны, где заготовка затруднена или невозможна), обеспеченность лесными дорогами и их протяженность, качество лесных ресурсов, допустимый режим лесопользования (особо охраняемые природные территории, защитные леса и прочие) и иные факторы, ограничивающие возможности освоения лесов.
Таким образом, указанная величина является предельной величиной ("оценка сверху"). В целом существующего объема экономически доступной лесосеки достаточно для реализации максимально возможного рыночного потенциала российскими производителями (с учетом возможной переориентации на внутренний рынок экспортируемого в настоящий момент круглого леса). Возможное увеличение заготовки леса после 2030 года потребует инвестиций в развитие транспортной инфраструктуры для расширения возможностей по лесозаготовке, создания новых точек роста. Особое значение для повышения доступности лесов для их применения в промышленности имеет лесная инфраструктура и прежде всего плотность лесных дорог. Лесное законодательство должным образом не регулирует их строительство и содержание, не определены права арендаторов лесных участков, занимающихся строительством и эксплуатацией лесных дорог. Лесные дороги не входят в перечень автомобильных дорог регионального и местного значения, не отражены в схемах территориального планирования.
Не проработаны механизмы софинансирования строительства лесных дорог за счет бюджетных и внебюджетных источников на принципах государственно-частного партнерства. Дополнительным существенным ограничением освоения лесов и развития лесопереработки является низкая степень изученности лесных ресурсов - давность лесоустроительных, в том числе лесотаксационных, материалов по значительной части перспективных к освоению регионов превышает 10 лет, не учитывает выбытие лесов по естественным и антропогенным причинам.
Использование неактуальной документации может давать некорректную, в том числе завышенную от 30 до 50 %, оценку доступности лесных ресурсов.
Отсутствуют единые подходы и методики корректировки сведений лесных планов. В то же время с учетом сложившегося состояния изученности лесов планирование и реализация конкретных инвестиционных проектов должны быть основаны на актуальных сведениях о фактической обеспеченности конкретного проекта лесными ресурсами.
Согласно стандарту (ГОСТ Р 52398-2005) «Классификация автомобильных дорог. Основные параметры и требования» и Постановлению Правительства Российской Федерации от 11 апреля 2006 г. «О некоторых вопросах, связанных с классификацией автомобильных дорог в Российской Федерации» установлены новые принципы классификации российских автомобильных дорог.
В частности, лесовозная транспортная сеть включена в раздел ведомственных и частных автомобильных дорог.
Появился новый термин – лесные дороги. Лесные дороги – это дороги, расположенные на землях лесного фонда. Они предназначены для обслуживания потребности лесного хозяйства, обеспечения доступа органов управления лесным хозяйством и лесопользователей к конкретным лесным массивам.
Лесные дороги примыкают к дорогам общего пользования, железнодорожным станциям и к нижним складам лесозаготовительных предприятий.
В зависимости от назначения различают лесные дороги:
- лесовозные – для вывозки древесины;
- лесохозяйственные – для обеспечения выполнения лесохозяйственных мероприятий;
- противопожарные – обеспечивающие маневрирование пожарнотехнических средств;
- хозяйственные – предназначенные для транспортировки грузов хозяйственного назначения от путей общего пользования до предприятий;
- туристские – для доступа туристов в отдельные районы, на туристские базы, в зоны отдыха, в охотничьи хозяйства;
- другие дороги.
Согласно своду правил (СП 37.13330.2012 «Промышленный транспорт») [76] автомобильные дороги лесных предприятий создают систему, включающую в себя:
- внутриплощадочные автомобильные дороги, расположенные на территории лесных разработок, обеспечивающие технологические и пассажирские перевозки;
-межплощадочные автомобильные дороги, соединяющие между собой обособленные участки и территории, на которых осуществляется заготовка древесины и другие виды хозяйственной деятельности, обеспечивающие наряду с технологическими перевозками транспортирование хозяйственных грузов и пассажиров.
Применительно к данной работе особый интерес представляют лесовозные дороги Пермского края и Свердловской области.
Структура лесовозной сети Свердловской области представлена в таблице 1
Таблица 1-Структура лесовозной сети Свердловской области
Лесное
предприятие Объем вывозки,
тыс. м3 Общая протяженность
дорог, км В том числе
Регионального значения Федерального значения лесовозные
АО "Лялялес" 220,9 км 571 106 105 360
% 100,0 18,6 18,4 63,0
АО «ТугулымскийЛПХ» 53 км 372 132,0 57,0 183,0
% 100,0 35,5 15,3 49,2
АО «АсбестовскийЛПХ» 17,6 км 109 32,0 37,0 40,0
% 100,0 29,4 33,9 36,7
АО «РежевскойЛПХ» 26,8 км 238 83,0 26,0 129,0
% 100,0 34,9 10,9 54,2
АО «Саргалес» 15,1 км 124 46,0 38,0 40,0
% 100,0 37,1 30,6 32,3
АО «РевдинскийЛПХ» 22,4 км 124 38,0 34,0 52,0
% 100,0 30,6 27,4 41,9
АО «ТалицкийЛПК» 28,6 км 168 68,0 9,0 91,0
% 100,0 40,5 5,4 54,2
АО «Леспромхоз “Афанасьевский”» 20,1 км 161 24,0 48,0 89,0
% 100,0 14,9 29,8 55,3
АО «КрасноуфимскийЛПХ» 73,8 км 213 49,0 92,0 72,0
% 100,0 23,0 43,2 33,8
АО ЛПО "Лобва" 173,3 км 281 35,0 169,0 77,0
% 100,0 12,5 60,1 27,4
АО «Сотрино» 9,8 км 175 9,0 32,0 134,0
% 100,0 5,1 18,3 76,6
% 100,0 7,3 5,5 87,3
% 100,0 22,5 0,0 77,5
% 100,0 0,0 27,1 72,9
Итого 809,4 км 3114 648,0 731,0 1735,0
% 100,0 20,8 23,5 55,7
Таким образом, лесовозные дороги Свердловской области обслуживаются 15 предприятиями при общей протяженности сети в 3114 км.
Структура лесовозных дорог Пермского края представлена в таблице 2.
Таблица 2 - Структура лесовозной сети Пермского края
Технические категории автомобильных дорог, км Тип покрытия
I II III IV V ц/бетон а/бетон переходный
52 65 1985 1100 3,9 22,6 2600,5 560,8
Как видим, общая протяженность лесовозных дорог в Пермском крае составляет 3183,9 км.
В целях оценки плотности расположения сети, а также определения регионов расположения лесовозных дорог составлена схема расположения дорог на территории Пермского края, приведенная на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структура лесовозной сети Пермского края
1.2 Конструктивные особенности лесовозных автомобильных дорог эксплуатируемых в зимних условиях
Земляное полотно - один из основных элементов автомобильной дороги.
Конструкция полотна разрабатывается с учётом следующих данных:
- рельефа местности;
- почвенно-грунтовых условий;
- гидрологических условий;
- климатических условий.
К земляному полотну лесовозной автомобильной дороги предъявляются особые требования по показателям прочности и устойчивости в связи с особенностями нагрузок и условий работы. Геометрический профиль земляного полотна должен сохраняться неизменным на протяжении всего срока эксплуатации.
Основными параметрами конструкции земляного полотна являются ширина, высота насыпи или глубина выемки, крутизна откосов, уклоны поверхности (рисунок 2) [2].
Рисунок 2 - Поперечные профили дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог:
а – серповидный профиль при ширине обочин 1 м и более; б – серповидный профиль одежды на однополосных дорогах (левые половины профилей а и б – для гравийных, грунтощебеночных и грунтовых покрытий, правые – для покрытий из грунтов, укрепленных вяжущими); в – полукорытный профиль (левая половина – для гравийных одежд при дренирующих грунтах земляного полотна, правая – для покрытия из грунтов, укрепленных вяжущими); г – корытный профиль при дренирующих грунтах земляного полотна; д – то же при недренирующих грунтах с устройством гравийного покрытия в корыте из песчаного подстилающего слоя
Серповидный поперечный профиль одежды представляет собой наиболее простую конструкцию. Он удобен и не требует больших затрат на содержание дороги. Недостатком его является повышенный расход дорожно-строительных материалов. Серповидный профиль рекомендуется применять:
- для грунтовых дорог, улучшенных минеральными добавками или поверхностной россыпью гравия или щебня;
- гравийных покрытий на земляном полотне из не дренирующего грунта при любой толщине покрытия и ширине обочины;
- гравийных покрытий на земляном полотне из дренирующего грунта при ширине обочин менее 1 м и при большей ширине обочин при толщине слоя одежды менее 15 см.
Корытный профиль одежды применяется в случаях, когда покрытие устраивается из дорогостоящих материалов или имеет большую толщину. Его достоинством является экономия дорожно-строительных материалов, а недостатками – легкость заноса грязи с обочин на проезжую часть и необходимость дренажа воды из корыта с использованием трубчатых дрен.
Полукорытный профиль одежды представляет собой промежуточное решение между корытным и серповидным профилями. На лесовозных дорогах полукорытный профиль рекомендуется применять:
- для гравийных покрытий на земляном полотне из дренирующих грунтов (при ширине обочин 1 м при более при толщине слоя более 15 см);
- для одежд с покрытиями из укрепленных грунтов (при ширине обочин 1 м и более при толщине укрепленного слоя более 15 см).
Возведение полотна возможно и не по типовым проектам. Индивидуальные схемы применяются в следующих случаях:
- высота насыпи более 12 м;
- глубина выемки более 12 м;
- наличие в основании насыпей слабых грунтов или болота глубиной более 4 м;
- расположение дороги на оползневых склонах;
- при вероятности воздействия селевых потоков, камнепадов, снежных лавин и других явлений.
В целях обеспечения необходимых показателей прочности земляного полотна из слабых грунтов применяются методы укрепления. Основными технологиями укрепления грунтов являются:
- перемешивание грунта с малоактивными вяжущими материалами;
- добавка другого грунта и получение оптимального состава зернового состава смеси.
На дорожное полотно действуют силы двух видов:
- динамические, вызванные движением транспортных средств;
- статические, вызванные воздействием расположенных выше масс грунта и дорожной одежды.
Помимо этого, на грунты действуют ещё и погодно-климатические факторы.
В результате грунты подвержены процессам увлажнения/высыхания и замерзания/оттаивания.
Перечисленные особенности нагрузок, действующих на грунты, оказывают влияние на физико-механические свойства грунтов, такие как прочность, модуль упругости, сдвигоустойчивость и т.д.
Одной из конструктивных особенностей земляного полотна лесовозной автомобильной дороги является то, что напряжения в подстилающем грунте, возникающее от воздействия транспортных средств, с глубиной быстро затухают, в то время как напряжения из-за расположенных выше масс грунта возрастают. Существенное воздействие проезжающие транспортные средства оказывают на верхнюю часть насыпи. Данный слой называется динамически активной зоной, глубина его составляет до 1 м от поверхности дорожной одежды.
Также необходимо отметить, что на верхнюю часть земляного полотна оказывают активное воздействие погодно-климатические факторы, вызывающие изменения свойств грунта. В земляное полотно проникает влага от выпадающих атмосферных осадков и стока поверхностных вод, а также в результате капиллярного поднятия влаги при наличии грунтовых вод. На интенсивность изменения объема влаги в грунте земляного полотна оказывает влияние вид грунта, количество атмосферных осадков, продолжительность увлажнения поверхностными или грунтовыми водами и температурный режим. При промерзании грунта происходит накопление влаги и увеличение его объема. При оттаивании замерзшего грунта происходит его разуплотнение и большая потеря прочности и сопротивляемости внешним нагрузкам.
Результатом замерзания и оттаивания грунтов из-за неравномерного накопления влаги может являться поднятие дорожной одежды. Природные факторы оказывают различное воздействие на земляное полотно в зависимости от климатического района. В северных районах, для которых характерно близкое расположение к поверхности вечномерзлых грунтов, промерзание происходит достаточно быстро, миграция влаги в период замерзания незначительна. Результатом является незначительная величина морозного пучения. Для южных районов характерно неглубокое залегание грунтовых вод. Увлажнение грунта происходит в первую очередь за счет атмосферных осадков. Благодаря короткому зимнему периоду и небольшим температурам в этих районах, как правило, не происходит морозное пучение и разуплотнение грунта. Однако, в отдельных случаях при неблагоприятном сочетании атмосферных явлений пучение возможно. Наиболее неблагоприятными для земляного полотна являются средние климатические условия, зоны избыточного увлажнения, для которых характерны сравнительно длительные зимние периоды. Осенний дождливый период с последующим медленным промерзанием создает наиболее благоприятные условия для влагонакопления и морозного пучения грунтов.
Пучины, образующиеся на дорожном полотне, свидетельствуют о несовершенстве системы обеспечения водоотвода. Данное явление свидетельствует о необходимости применения новых проектных решений, учитывающих требования к морозоустойчивости в данном регионе, при реконструкции дорожной одежды.
Для регулирования водно-теплового режима земляного полотна лесной дороги используется комплексный подход, направленный на исключение попадания воды в рабочий слой насыпей и выемок, с целью предохранения конструктивных слоев дорожной одежды от деформаций, связанных с потерей несущей способности. К таким деформациям относится, в первую очередь, морозное пучение.
Под морозным пучением понимают процесс неравномерного взбугривания грунта за счёт увеличения объёма свободной влаги в грунте при её замерзании. Данный процесс протекает под действием трёх факторов: интенсивного влагонакопления в грунте, глубокого сезонного промерзания дорожной одежды и наличия дисперсных пучинистых грунтов в основании. [3,4].
СНиП 2.05.02-85 регламентирует основное решение для обеспечения устойчивости и прочности земляного полотна и дорожной одежды. Согласно этому документу необходимо организовать возвышение поверхности покрытия над расчётным уровнем грунтовых вод, верховодки или длительно (более 30 суток) стоящих поверхностных вод, а также над поверхностью земли на участках с необеспеченным поверхностным стоком или над уровнем кратковременно (менее 30 суток) стоящих поверхностных вод, которое должно соответствовать, например, для II дорожно-климатической зоны от 1,1 до 2,4 м в зависимости от грунта рабочего слоя.
В случае если невозможно обеспечить необходимое возвышение дорожного покрытия над расчётными уровнями поверхностных и грунтовых вод необходимо предусмотреть следующие мероприятия:
1. Устройство морозозащитно-дренирующего слоя.
2. Регулирование водно-теплового режима земляного полотна с помощью гидроизолирующих, теплогенерирующих, дренирующих или капилляро-прерывающих прослоек.
3. Укрепление или улучшение грунта рабочего слоя с помощью вяжущих.
4. Использование армирующих геосинтетических прослоек.
5. Понижение уровня подземных вод с устройством дренажа.
Согласно СП 34.13330 - 2012 все дренажные сооружения подразделяются на два типа:
-сооружения открытого водоотвода;
-сооружения закрытого водоотвода.
К первому типу относятся водоотводные канавы, кюветы, водоотводные и водосбросные лотки для отвода воды с проезжей части.
Дренажные сооружения, предназначенные для регулирования подземного стока в конструкциях низких насыпей и выемок земляного полотна, включают подкюветные, закюветные перехватывающие откосные, присыпные и врезные дренажные устройства, а также бестраншейные трубчатые и застенные элементы.
Регулирование водно-теплового режима земляного полотна лесной дороги позволяет уменьшить амплитуду колебания влажности грунта в течение годового цикла и особенно в ранневесенний период, когда влажность грунта сильно возрастает, и тем самым повысить его несущую способность [3].
Способы регулирования водно-теплового режима земляного полотна можно разделить на четыре основные группы.
К первой группе относятся мероприятия по ограничению увлажнения земляного полотна поверхностными и грунтовыми водами путем отвода воды с обочин, устройства насыпей, капилляро-прерывающих прослоек, электрические и химические методы, уплотнение грунтов, своевременная заливка швов и трещин в покрытиях герметизирующими мастиками.
Ко второй группе относят замену и улучшение грунта, использование морозозащитных слоёв, улучшение зернового состава грунта и применение для насыпей слабопучинистых грунтов.
В третьей группе объединены мероприятия, обеспечивающие отвод воды из дорожных одежд. К этой же группе относят устройство дренажа, как глубинного, так и мелкого заложения, устройство дренирующих слоёв и прослоек.
Применение глубинного дренажа определяется местными климатическими и гидрогиологическими условиями, а также нормативными документами проектирования водоотвода и дренажа.
Глубинный дренаж целесообразно применять в сочетании с тщательной вертикальной планировкой при устройстве покрытий в насыпи и обеспечением минимально допустимого возвышения поверхности рабочего слоя земляного полотна над уровнем грунтовых вод.
Четвёртая группа включает регулирование теплового режима путём применения теплоизолирующих слоёв. [4]
В целях обеспечения надлежащего водоотведения из оснований дорожных одежд рекомендуется устройство дренажа, основными назначениями которого являются: перехват и отвод грунтовых вод, поступающих к покрытиям со стороны; сбор и отвод вод из дренирующих оснований.
В соответствии с назначением различают виды дренажа:
1) дренажи для отвода воды из пористых оснований дорожных одежд (закромочный дренаж);
2) дренажи для перехвата, понижения уровня и отвода грунтовых вод в естественных основаниях (глубинный дренаж).
Таким образом, обеспечение нормального функционирования дренажной системы позволит минимизировать негативные воздействия на дорожное полотно морозного пучения путём снижения объёма свободной влаги в грунте.
Разработкой проблемы анализа состояния дорожных покрытий занимались на протяжении многих лет такие известные ученые как: профессор В.Ф. Бабков [8,9], профессор И.А. Золотарь [36], д-р техн. наук В.Д. Казарновский [39, 40], профессор М.Б. Корсунский [45,46,47] профессор H.A. Пузаков [17], д-р техн. наук В.И. Рувинский [68], профессор В.М. Сиденко [73,74,75], профессор H.A. Цытович [93] и др.
Большой вклад в решении физических аспектов природных криогенных процессов в грунтах внесли учёные: П.И. Андрианов, М.Н. Гольдштейн, Б.И. Долматов, Э.Д. Ершов, В.Н. Шестаков, Б.С. Юшков и др.
Проблемы промерзания и оттаивания сезоннопромерзающих глинистых грунтов и связанных с этим процессов и явлений изложены в работах Э.Д. Ершова, С.П. Качурина, В.А. Кудрявцева, В.О. Орлова, М.И. Сумгина, Н.И. Толстихина, В.И. Фёдорова.
В результате многочисленных исследований, выполненных в нашей стране с мерзлыми грунтами, Н. А. Цытович сформулировал основной принцип механики мерзлых грунтов: «Количество, состав и свойства воды и льда, содержащихся в мерзлых грунтах, не остаются постоянными, а изменяются с изменением внешних воздействий, находясь в динамическом равновесии с последними» [93].
В практике наблюдается три характерных состояния в зависимости от степени связанности воды:
1. Переход всего объёма воды в лед при конкретной температуре начала замерзания.
2. Мгновенное замерзание части воды, в то время как другая часть замерзает постепенно, с понижением температуры.
3. Плавное промерзание с изменением температуры; скачков нет.
На основании изложенного выше материала можно сделать следующие выводы:
1. Возможно выделение теплоты кристаллизации не только на поверхности, но и в объёме.
2. Количество тепла зависит от влажности, типа и температуры грунта.
3. Возможно, как плавное, так и скачкообразное изменение теплофизических характеристик грунта.
На основании этого принципа представляется возможным правильно подходить к рассмотрению физических процессов и явлений, происходящих в промерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтах.
Промерзание грунта происходит в следующей последовательности:
1. Замерзание части воды, содержащейся в порах грунта при температуре начала замерзания.
2. Замерзание части связанной воды и воды диффузионной оболочки по мере понижения температуры грунта ниже температуры начала его замерзания.
3. Увеличение объема воды, переходящей в лед, при температуре начала замерзания грунта в земполотне лесовозной автомобильной дороги.
4. Увеличение объема связанной воды и воды диффузионных оболочек при понижении температуры грунта.
5. Миграция влаги к фронту промерзания в глинистых и пылеватых грунтах и, как правило, от фронта промерзания в водонасыщенных крупнозернистых грунтах.
6. Изменение объема твердых частиц и льда при понижении температуры.
Процессы 1-5 могут приводить к увеличению объема грунта при промерзании (морозному пучению). Вышеизложенное, в основном, относится к грунтам, состоящим из минеральных частиц.
Функционирование систем водоотведения автомобильных дорог зависит, в первую очередь, от проектировочных решений, контроля технологического процесса возведения дренажных систем лесной дороги и принятия соответствующих решений на основе анализа. Необходимо также отметить важность качественной приёмки лесовозной автомобильной дороги и дальнейшего обслуживания конструкций во время эксплуатации.
Система водоотведения лесовозной автомобильной дороги оказывает влияние на устойчивость всего земляного полотна. Помимо этого, она сопряжена с откосными сооружениями, пересечениями и примыканиями, а также может иметь связь с водоёмами и водотоками.
Атмосферные осадки оказывают существенное воздействие на изменение водно-теплового режима земляного полотна и дорожных одежд. На основе результатов многочисленных исследований, проведенных в России и за рубежом, можно сделать вывод o том, что имеется зависимость между влажностью грунта земляного полотна лесовозной автомобильной дороги и расстоянием от уровня грунтовых вод.
