Ледяная дорога

Путь проложен по замерзшей воде, а не по земле

Ледяная дорога на озере Сайма в Финляндии.

Ледовая дорога между Оулунсало и Хайлуото . Это самая длинная ледяная дорога в Финляндии.

Грузовик на бывшем зимнике между Инувиком и Туктояктуком.

Ледяная дорога, река Сент-Анн , Квебек , Канада

Ледяная дорога или ледяной мост ^{[1] [2] [3] [4]} — это рукотворное сооружение, пролегающее по замерзшей водной поверхности (реки, озера или морской водной глади). ^{[5] [6] [7]} Ледяные дороги обычно являются частью зимней дороги , но они также могут представлять собой простые автономные конструкции, соединяющие две береговые линии. ^{[8] [9]} Ледяные дороги можно планировать, строить и обслуживать так, чтобы они оставались безопасными и эффективными, и был опубликован ряд руководств с информацией по этому поводу. ^{[1] [4] [10] [11]} Ледяную дорогу можно строить год за годом, например, для обслуживания общественных нужд в зимний период. ^{[4] [12]} Это также может быть сроком на один год или два для обеспечения конкретных операций, таких как гидроэнергетический проект ^[13] или морские буровые площадки. ^[14]

Ледоустойчивость

Давление воды, связанное с плавучестью льда , при кратковременной вертикальной нагрузке на ледяной покров (адаптировано из ^{[1] [5]} ). Не в масштабе, только для наглядности.

Способность ледяной дороги безопасно выдерживать вес транспортного средства (или любых других нагрузок, приложенных к нему), называемая несущей способностью , является первоочередной задачей при проектировании, строительстве и использовании этой конструкции. Вообще говоря, вертикально нагруженный ледяной покров будет реагировать двояко: 1) он будет тонуть и 2) он будет изгибаться. ^{[1] [5]} Чтобы соответствовать критериям ледоустойчивости, верхняя поверхность не должна опускаться ниже ватерлинии, а приложенное напряжение изгиба не должно превышать прочность льда на изгиб . ^[15] Необходимо учитывать три режима загрузки: а) максимальный вес для стандартного использования или для кратковременной стоянки; б) нагрузка, которая остается неподвижной в течение длительного периода времени; и в) динамическое нагружение ледяного покрова от движущегося транспортного средства.

Максимальный вес

Для стандартных видов дорожного движения в рекомендациях обычно используется простая эмпирическая формула для определения максимальной массы транспортного средства, разрешенной на ледяной дороге. ^{[11] [16]} Эту формулу, которая была первоначально предложена в 1971 году, ^[17] часто называют формулой Голда :

${\displaystyle P=Ah^{2}}$

где P — нагрузка, h — толщина, а A — константа с единицей давления. Это может быть связано с идеализированной упругой реакцией ледяного покрова: ^[1]

${\displaystyle \sigma _{\max }=CP/h^{2}{\text{ or }}CP=\sigma _{\max }h^{2}}$

где σ _max — максимальная прочность на растяжение у основания бесконечной ледяной пластины, опирающейся на упругое основание. Параметр C основан на теории толстых пластин . Следовательно, в этой идеализированной формулировке A представляет собой показатель прочности ледяного покрова на растяжение. Хотя рекомендуемые значения A варьируются от 3,5 до 10 кг/см ² (~ 50–150 фунтов/дюйм ² ), нижние граничные значения обычно используются в целях безопасности. ^{[11] [16]} Такой уровень консерватизма оправдан, поскольку, в отличие от искусственных материалов, таких как сталь или бетон, естественные ледяные покровы по своей сути содержат большое количество структурных дефектов (трещин, водных и воздушных карманов). ^[2] Более того, для дороги общего пользования, которая относительно неконтролируема, такой подход вводит высокий коэффициент безопасности от прорывов и поэтому желателен. Для промышленных дорог проект может быть менее консервативным, чтобы соответствовать их функциональным требованиям, т.е. можно использовать более высокие значения A , но под пристальным контролем профессионального инженера. ^{[4] [2]}

Максимальное время загрузки

Надводный борт на ледяной дороге в разные промежутки времени

При использовании формулы Голда предполагается чисто упругий отклик, который по определению является мгновенным и не зависит от времени нагрузки. Лед, однако, естественно существует при высокой гомологичной температуре , то есть вблизи точки плавления. Как и в случае любого другого материала в этих условиях, реакция на нагрузку не только упругая, но включает в себя и другие компоненты, а именно: ^{[18] [19]}

1. Нестационарная восстанавливаемая составляющая – это вызывает развитие микротрещин, что может привести к разрушению и, в конечном итоге, к прорыву;
2. Зависящая от времени неустранимая составляющая – ее обычно называют ползучестью , которая связана с механизмами, ответственными за течение ледника (долгосрочная перспектива), и играет незначительную роль в реакции ледяной дороги на нагрузку.

Таким образом, ледяной покров может безопасно удерживать транспортное средство, но если он останется на льду слишком долго, деформация продолжится за счет микротрещин, что приведет к обрушению ледяного покрова под транспортным средством. Рекомендации относительно того, как этого можно избежать, различаются. ^{[11] [16]} Некоторые источники предписывают максимум два часа для стационарной нагрузки, ^{[20] [3] [4]} что также рекомендовал Голд. ^[17] Другие советуют использовать надводный борт льда в качестве индикатора, ^{[18] [1] [2] [3]} что можно сделать, просверлив в нем лунку и контролируя расстояние между водой в лунке и поверхностью воды. ледяная поверхность. Транспортное средство следует убрать до того, как вода достигнет поверхности в этой яме. Другая причина важности количества надводного борта заключается в том, что если вода попадает на поверхность льда (через трещины и трещины), несущая способность ледяного покрова быстро уменьшается, что может ускорить прорыв. ^{[15] [1]} При длительных нагрузках, возможно, потребуется консультация профессионального инженера. ^[4]

Динамическая загрузка

Ледяные волны, вызванные движущимся транспортным средством – вертикальное смещение поверхности льда, сильно преувеличенное для иллюстративных целей (см. вертикальный масштаб справа), показано как функция расстояния до транспортного средства. Адаптировано из ^[21] и на основе спутниковых изображений.

При движении автомобиля по дороге на ледяной покров оказывается режим динамической нагрузки. ^{[1] [4]} Ниже определенной скорости, называемой критической , ледяной покров под транспортным средством принимает форму чаши, движущейся вместе с транспортным средством, отталкивая воду вокруг себя, как это делает киль лодки. ^[1] На критической скорости (и выше) позади и перед автомобилем образуется серия волн . «Если скорость этих волн равна скорости транспортного средства, отклонение и напряжения в ледяном покрове усиливаются, подобно резонансу в колебательной системе» (стр. 8–10). ^[1] Критическая скорость зависит от толщины льда и глубины воды. Другая проблема, которая возникает, — это отражение этих волн от береговой линии обратно в сторону транспортного средства. Это может вызвать дополнительную нагрузку на лед. Один из способов смягчить эту проблему — избегать приближения к береговой линии под углом 90 градусов. ^[4] Критическая скорость – это то, что определяет ограничение скорости для транспортных средств, движущихся по ледяным дорогам. Этот предел может составлять от 10 км/ч (6,2 миль в час) до 35 км/ч (22 мили в час). ^{[3] [4]} Динамическая нагрузка на ледяной покров также может определять минимальное расстояние между транспортными средствами. ^{[4] [2]}

Для лучшего понимания этой динамики были проведены полевые испытания. ^{[22] [23] [24]} Убедительные доказательства таких волновых моделей были получены на спутниковых снимках. ^{[25] [21]}

Планирование и строительство

Насос с низким напором, используемый для заливания ледяной поверхности.

Прозрачный лед поверх искусственного белого льда (рука/нога для масштаба справа)

Плоскости излома в чистом льду – ботинок для масштаба внизу слева. Обратите внимание на отпечатки протектора шин справа внизу.

Снегоход используется для буксировки саней, на которых имеется георадар, для получения непрерывного профиля толщины льда.

Когда ледовая дорога является частью зимника , как это обычно бывает, ее проектирование и строительство включается в общую планировку дороги, т.е. совместно с сухопутными участками. ^[2] В любом случае, перед началом строительства необходимо учитывать следующие факторы:

• График и рабочие окна : Начало операции, т.е. когда полевая бригада приступает к работе, зависит от толщины льда, которая достигается естественным путем (обычно под снежным покровом). Эта толщина должна быть достаточной, чтобы выдержать вес легкого оборудования, которое затем используется для удаления снежного покрова. Этот снег действует как изолятор, и его удаление ускоряет рост льда на границе раздела лед-вода (вдоль нижней части ледяного покрова).
• Тип и объем перевозок : речь идет об определении потребностей в перевозках на сезон эксплуатации ( например, оборудование, расходные материалы, топливо) и средств доставки этих материалов ( например, типы транспортных средств, вес, объем движения).
• Полоса отвода : это относится к ширине дороги, необходимой для обеспечения движения транспорта. Оно может варьироваться от 30 м (98 футов) до 60 м (200 футов). В идеале она должна быть достаточно широкой, чтобы с обеих сторон оставалось место для сугробов и снежных заносов, а также дополнительное пространство между этим снегом и фактической полосой движения.
• Экологические и нормативные требования : Лицензии и разрешения различаются в зависимости от юрисдикции. Примеры могут включать временные разрешения на землепользование и доступ к источникам воды (для защиты озер и рек).

Факторы, которые необходимо учитывать при выборе маршрута, включают следующее: ^{[2] [3] [12]}

• Предпочтительнее использовать более глубокую воду, чтобы избежать проблем, связанных с динамической нагрузкой. Лед вдоль береговой линии и над отмелями склонен к растрескиванию.
• Избегайте мест с сильными водными течениями или вблизи устьев небольших рек и ручьев. Поскольку температура на границе раздела лед-вода составляет 0 ° C (32 ° F), поток воды с немного более высокой температурой будет термически разрушать эту границу, тем самым уменьшая толщину льда. ^{[ нужна цитата ]}
• Рассмотрим последствия изменений уровня воды, например, выше водоема, регулируемого плотинами.
• Обзор исторических ледовых условий с использованием местных знаний и спутниковых изображений может помочь расшифровать повторяющиеся проблемные области, такие как торосы льда.

Перед первым выходом на лед необходимо учитывать следующие факторы: ^{[2] [4] [3]}

• Необходимо проявлять должную осторожность – это включает в себя соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ), такие как плавсредство, соответствующую подготовку и работу в парах.
• Для дальнейшей оптимизации безопасности оборудование и аксессуары должны включать: рации двусторонней связи, автомобили-амфибии, лебедки на колесных транспортных средствах.
• Толщину льда можно измерять ледобурами, через необходимые промежутки времени или с помощью георадара (георадара). Это важно, поскольку толщина ледяного покрова может достигать 70% на расстоянии нескольких сотен метров, а минимальная толщина льда используется для определения несущей способности всего ледяного покрова. ^[4]
• Бурение скважин можно использовать для сбора кернов льда, чтобы оценить его внутреннюю структуру, например, белый лед по сравнению с чистым льдом. ^[12]

Удаление снежного покрова – первая крупная операция в схеме строительства ледовой дороги. ^{[2] [3] [12] [26]} Работы можно начинать только тогда, когда толщина льда станет безопасной для поддержки оборудования, используемого для этой операции. Есть два способа сделать это, в зависимости от имеющегося оборудования и практики на конкретной дороге. Один из них — утрамбовывать слой снега гусеничной техникой в ​​тонкий слой, тем самым увеличивая его плотность и снижая изоляционные свойства. Другой вариант — полностью удалить его, как правило, на автомобилях, оснащенных снегоочистителем .

Как только лед достигнет целевой толщины (за счет ускоренного роста после устранения изолирующего эффекта снега), может начаться само строительство дороги. На этом этапе лед способен безопасно выдерживать более тяжелое оборудование, необходимое для этого этапа, которое в основном состоит из искусственного утолщения с помощью насоса или системы распыления. ^{[2] [5]} Цель состоит в том, чтобы довести толщину до уровня, необходимого для самых тяжелых транспортных средств, которые появятся после открытия ледяной дороги.

Использование и обслуживание

К транспортным средствам, передвигающимся по ледяной дороге, относятся обычные легковые и грузовые автомобили различных размеров и веса. Достаточно стандартных зимних шин, т.е. шипы и цепи противоскольжения могут повредить дорожное покрытие. ^{[12] [26]} Однако цепи противоскольжения можно хранить в автомобиле в экстренных целях; ^{[2] [4]} они также могут пригодиться при движении по зимнику с уклоном более 8% на сухопутных участках. ^[2] На знаках могут быть указаны ограничения скорости, например, максимальная 25 км/ч (16 миль в час), и расстояние между транспортными средствами, например, 500 м (1600 футов) для грузов массой более 12 500 кг (27 600 фунтов). ^{[2] [4]} Эти ограничения призваны снизить риск повреждения ледяного покрова, что поставит под угрозу его способность выдерживать вес, на который он рассчитан.

Техническое обслуживание состоит из двух основных задач: ^{[3] [4] [2] [12]}

• Мониторинг толщины льда : это можно сделать с помощью буровых скважин или геопроникающего радара.
• Мониторинг проходимости : ледяная поверхность может ухудшаться в процессе эксплуатации. Он также может быть поврежден в результате естественных процессов, таких как образование гребней и трещин, которые обычно вызываются резкими изменениями температуры воздуха.

Закрытие дорог

Ледяная дорога обычно закрывается в результате ухудшения качества беговой или эксплуатационной поверхности до того, как возникнет риск разрушения ледяного покрова. ^[4] Ухудшение состояния поверхности может произойти, когда поверхность льда становится слишком мягкой или из-за чрезмерного количества талой воды на ее поверхности. ^{[3] [26]} Закрытие дорог в середине сезона также может произойти по тем же причинам, а также из-за ненастной погоды, например метели. ^{[3] [12]} Если ледовая дорога является частью зимника, то закрытие также может быть связано с выходом из строя сухопутного участка.

Укрепление ледовой дороги

Пример укрепления ледяного покрова, при котором четыре слоя сложенных деревянных бревен вмерзли в лед (в ^[27] из описания, приведенного в ^[17] ).

Ледовые переправы можно сделать способными выдерживать более высокие нагрузки, если их укрепить, и в прошлом это делалось разными способами. ^{[27] [28] [29]} Кроме того, эти структуры уязвимы к потеплению климата. ^{[30] [31]} Основная причина заключается в том, что для достижения безопасной толщины льда до начала строительства, а также с постепенно более теплой погодой в осенний сезон, дорога открывается позже, тем самым сокращая рабочее окно конструкции. Более того, если ледовая дорога является частью сети зимников , ледовое усиление можно использовать для устранения проблемных участков, таких как переходы через ручьи или пристани.

Ссылки на СМИ

• В фильме 2008 года «Замерзшая река» рассказывается вымышленная история двух женщин, которые занимаются переправкой нелегальных иммигрантов из Канады в Соединенные Штаты, переправляя их через замерзшую реку Святого Лаврентия на своей машине.

• Ледяные дороги Канады и Аляски широко освещались в реалити-шоу канала History Channel « Дальнобойщики ледяной дороги» .

• В триллере 2021 года «Ледяная дорога» широко представлены ледяные дороги, на которых дальнобойщики едут по северной Канаде, чтобы доставить припасы после взрыва на шахте.

Смотрите также

• Подледная рыбалка и ее ледовые тропы
• Тиббит — Контвойто Уинтер-роуд
• Зимняя дорога
• Снежная дорога
• Ледяной пирс
• Ледовые гонки

Рекомендации

1. CRREL, 2006, Руководство по ледовой инженерии. ЭМ 1110-2-1612. Департамент армии, Инженерный корпус армии США. Нью-Джерси, 475 стр.
2. Проскин С., Грозник Э., Хейли Д., Мэтисон Ф., МакГрегор Р. и Нет, В., 2011, Рекомендации по строительству и эксплуатации зимних дорог. Транспортная ассоциация Канады.
3. Ассоциация по охране труда и технике безопасности инфраструктуры, 2014 г., Передовые методы строительства и безопасной работы на ледяных покровах в Онтарио. Миссиссога, Онтарио, 44 стр.
4. Правительство СЗТ, 2015 г., Рекомендации по безопасному строительству льда. Департамент транспорта. Йеллоунайф, Канада, 44 стр.
5. Мастерсон, Д. и Лёсет, С., 2011, ISO 19906: Несущая способность льда и ледяных дорог, Материалы 21-й Международной конференции по портовой и океанской инженерии в арктических условиях (POAC), Монреаль, Канада.
6. Проскин С.А. и Фицджеральд А., 2019, Использование подхода предельных состояний для проектирования ледяных дорог, GeoSt.John's, St. John's.
7. Спенсер П. и Ван Р., 2018, Расчетная ширина плавучих ледяных дорог и влияние продольных трещин, Материалы Арктической технологической конференции (ATC), Хьюстон.
8. Мишель Б., Друэн М., Лефевр Л.М., Розенберг П. и Мюррей Р., 1974, Ледяные мосты проекта залива Джеймс. Канадский геотехнический журнал, 11, стр. 599–619.
9. Гофф, Р.Д. и Мастерсон, Д.М., 1986, Строительство острова из распыленного льда для разведки, Материалы 5-й Международной конференции по морской механике и арктической инженерии (OMAE). Американское общество инженеров-механиков (ASME), Токио, стр. 105–112.
10. Франссон, Л., 2009, Справочник инженеров по льду. Технический университет Лулео.
11. Барретт, PD, 2015, Обзор ледяных дорог в Канаде: проектирование, использование и адаптация к изменению климата. OCRE-TR-2015-011. Национальный исследовательский совет Канады, https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/object/?id=5984226f-bee8-48fe-a138-5a23c800f435. Оттава, 51 стр.
12. Правительство Саскачевана, 2010 г., Справочник по зимним дорогам. Министерство автомобильных дорог и инфраструктуры, Регина.
13. Мишель Б., Друэн М., Лефевр Л.М., Розенберг П. и Мюррей Р., 1974. Ледяные мосты в проекте Джеймса. Канадский геотехнический журнал, 11: 599–619.
14. Финукейн, Р.Г. и Шер, Р.Л., 1983, Строительство плавучей ледяной дороги. Журнал технологий энергетических ресурсов, Труды ASME, 105 (1), стр. 26–29.
15. Мастерсон, DM, 2009, Современное состояние ледоустойчивости и ледовых конструкций. Наука и технологии холодных регионов, 58, стр. 99–112.
16. Барретт, PD, 2015, Обзор рекомендаций по ледовым дорогам в Канаде: определение несущей способности, Транспортная ассоциация Канады (TAC), Шарлоттаун, PEI.
17. Gold, LW, 1971, Использование ледяных покровов для транспортировки. Канадский геотехнический журнал, 8, стр. 170–181.
18. Синха, Н.К. и Кай, Б., 1996, Упруго-упругое моделирование кратковременного отклонения пресноводных ледяных покровов. Наука и технологии холодных регионов, 24, стр. 221–235.
19. Синха, Н.К., 2003, Вязкая и замедленно-упругая деформация во время первичной ползучести - Использование теста на релаксацию деформации и восстановление. Scripta Materialia, 48, стр. 1507–1512.
20. CSST, 1996, Траво на ледяных полях. ДК 200-640 (96-12). Правительство Квебека, 39 стр.
21. Бабаи, Х., ван дер Санден, Дж., Шорт, Н. и Барретт, П., 2016, Отклонение ледяного покрова озера, вызванное движущимися транспортными средствами: сравнение теоретических результатов со спутниковыми наблюдениями, Транспортная ассоциация Канады (TAC), Торонто.
22. Бельтаос, С., 1981, Полевые исследования реакции плавающих ледяных щитов на движущиеся нагрузки. Канадский журнал гражданского строительства, 8, стр. 1–8.
23. Такидзава, Т., 1988, Реакция плавающего ледяного покрова на постоянно движущийся груз. Журнал геофизических исследований, 93 (C5), стр. 5100–5112.
24. Ван дер Винн, Г., Лантейн, М. и Снайдер, Дж., 2017, Измерение ледяного покрова под действием движущихся нагрузок, 19-й семинар по гидравлике рек, покрытых льдом. Комитет CGU HS по речным ледовым процессам и окружающей среде (CRIPE), Уайтхорс, Канада.
25. ван дер Санден, Джей Джей и Шорт, Нью-Хэмпшир, 2016 г. - спутники измеряют смещения ледяного покрова, вызванные движущимися транспортными средствами. Наука и технологии холодных регионов, 133, стр. 56–62.
26. Джи, Маркус (23 февраля 2020 г.). «Тонкая белая линия: как строятся зимние дороги Северного Онтарио и обеспечивают безопасность движения». Глобус и почта . Проверено 11 апреля 2022 г.
27. П. Д. Барретт, «Укрепление ледяных покровов: краткое изложение предыдущих полномасштабных сценариев и их актуальность для инфраструктуры зимних дорог Канады», в Транспортной ассоциации Канады (TAC) [онлайн], https://nrc-publications. canada.ca/eng/view/ft/?id=9cd7da4c-b1fc-4949-b0b2-2e68f378fbb8 (2021 г.).
28. Гончарова, Г. Ю.; Борзов, С.С.; Борщев, Г.В. (13 июля 2023 г.). «Новые технологии строительства ледовых дорог для обеспечения устойчивой холодовой цепи поставок в северных регионах России». Пищевые системы . 6 (2): 245–254. дои : 10.21323/2618-9771-2023-6-2-245-254 . ISSN  2618-7272.
29. Босняк, Дж.; Коко, Северная Каролина; Юрцевич, М.; Кларин, Б.; Низетик, С. (4 декабря 2023 г.). «Использование армированного льда в качестве альтернативного строительного материала в холодных регионах: обзор». Архив термодинамики . дои : 10.24425/ather.2023.147547 . ISSN  1231-0956.
30. Хори, Ю., и Гоф, Вашингтон, 2018, «Состояние канадских зимних дорог к югу от 60-й параллели: исторический анализ климата и прогнозируемые будущие изменения на основе прогнозов климатической модели», Дела коренных народов и Севера, Торонто.
31. Кулоглу, ТЗ, 2020, «Влияние изменения климата на лесозаготовки и зимние дороги: затраты и стратегии смягчения последствий», Университет Альберты, Эдмонтон, «Дела коренного населения и севера», Торонто.

Внешние ссылки

• Правительство СЗТ Департамент транспорта - Ледовые дороги / Ледяные мосты / Зимние дороги
• Отчеты правительства СЗТ о состоянии автомобильных дорог
• Строительство эпической ледяной дороги в Канаде, статья в журнале «Популярная механика» .