ГЕОДИНАМИЧНИ УСЛОВИЯ НА АВАРИЯТА НА Ж.П. ЛИНИЯ ВАКАРЕЛ – ВЕРИНСКО ОТ КМ 40+300 ДО КМ 40+800

Доц. д-р инж. геол Кирил Ангелов1, инж. геол. Георги Златев1, инж. геол. Николай Михайлов1

1. МГУ “Св. Иван Рилски”. София 1100, катедра ХИГ

Резюме: През лятото на 1998 година след гара “Вакарел” пътнически влак, движещ се в посока

град Пазарджик, внезапно дерайлира от релсите и за щастие спира след 5 км, движейки се по траверсите. На мястото на дерайлирането специалистите установяват пропадане на баластрената призма (непосредствено под ЖП релсите) на повече от 1 м.

Аварията е ликвидирана с временен контрафорс, а инженерногеоложките проучвания установяват, че причините за пропадането на насипа са главно две:

изграждане на насипа от чакъли, примесени с хумусни глини и полагането им върху водонаситени блатни глини. Тези неблагоприятни инженерногеоложки условия наложиха изграждането на армирани с геомрежи контрафорсни насипи и специална дренажна система за укрепване на ЖП насипа.

Abstract: In the summer of 1998, а passenger train, traveling to the city of Pazardjik run off the rails after

the ”Vakarel” Station fortunately stopping after a 5 km break-down run over the sleepers. The specialists registered a 1 m failure of the gravel prism right under the rails.

The break-down was eliminated by a temporary contraforce. The engineering geological investigations found out two main reasons for the failure: The enbankment is constructed of gravels mixed with humus clays and is laid over saturated poludal clays.

These unfavorable engineering geological conditions determine building of armed embankments and special drainage systems for reinforcement of railways constructions.

1. Въведение През лятото на 1998 година след гара “Вакарел” пътнически влак, движещ се в посока

град Пазарджик, дерайлира от релсите и за щастие спира след 5км, движейки се по траверсите. На мястото на дерайлирането специалистите установяват пропадане на баластрената призма (непосредствено под ЖП релсите) на повече от 1м успоредно на насипа се оформя вал на изтласкване . Един от стълбовете на електроинсталацията е почти паднал.

Аварията е ликвидирана чрез подсипване и уплътняване с чакъл (Фиг. 1). Пред насипа е направен контрафорсен насип върху вала на изтласкването. Електрозахранването е възстановено чрез премостваща рамка. Направени са и частични инженерногеоложки проучвания и геофизични изследвания от “ГЕОСИНМАТ” ООД през 1999г.

Независимо от проведените изследвания и частичните укрепвания на насипа за дълъг период от време скоростта на движение на влаковете и в двете направления е ограничена до 25км/час, което създаде изключително сложна ситуация за трафика на ЖП линията.

Тази ситуация се наложи да бъде преодоляна във връзка с изискването на ЕС оптималната скорост на движение на влаковете да бъде 130км/час. По тази причина се разработи проект по PFARE, част от който са резултатите на настоящата разработка.

Фиг. 1 Временно укрепване на авариралия участък чрез контрафорсен насип

2. Инженерногеоложки условия на района Инженерногеоложките условия в района на аварията са изследвани чрез 17 бр.

сондажи и необходимите лабораторни изследвания. Положението на проучвателните изработки използвани за изясняване на конкретната инженерногеоложка обстановка в района на насипа са показани на Фиг. 2.

Изследванията са определени от геоложкия строеж, свойствата на инженерногеоложките разновидности и геодинамичните явления и процеси.

Фиг. 2 Ситуация на изследвания участък от насипа на ж.п. линия Вакарел – Веринско км

40+300 до км 40+800

Основните скали, които се разкриват в околните Вакарелски височини, са представени от т.н "Червениградска свита" и "Габренска свита". Червениградската свита е представена от девонски червеникави конгломерати и пясъчници, а Габренската свита - от карбон-пермски разновидности. Тези задруги обаче, залягат дълбоко и в страни от зоната на въздействие от динамичните натоварвания от влаковете. Описаните скални разновидности не са достигнати от сондажните разработки в района на изследвания ЖП насип.

Фиг.3 Профил 1 през тялото на обемно пластичното изтласкване на ЖП линия София - Пазарджик в участък Вакарел

В резултат на изветрителни и денудационни процеси са се натрупали делувиални отложения със значителна дебелина, в които преобладават глинесто-песъчливите фракции. Оцветяването на тези отложения е най-ралично - от тъмносиви до черни глини - до светлокафяви или червени глини (Фиг. 3 и 4).

Фиг.4 Профил 2 през тялото на обемно пластичното изтласкване на ж.п. линия София - Пазарджик в участък Вакарел

Върху посочените делувиални отложения в същност са изградени два ж.п. насипа. При строителството на същите насипи са използувани кариерни материали, чакъли и най-вероятно същите делувиални глини, които залягат в страни от него. Основание за това твърдение е идентичният зърнометричен състав и цветова окраска на глините от насипите и тези на делувиалните глини, особено във втория насип. Тъй като същите разновидности залягат и под насипите, т.е. в зоната на разпределение на напреженията от преминаващите динамични товари, глините от насипа и тези от основата се разглеждат като инженерногеоложки разновидности, обединяващи в себе си близки по оцветяване и свойства литоложки видове.

Към тези констатации може да се добави фактът, че качеството на изпълнение на втория насип е значително по-ниско от това на първия.

Обобщените физикомеханични показатели на инженерногеоложките разновидности отразени на профили 1 и 2 са показани в табл. 1. Пластичните зони очевидно са се формирали в тъмносивите до черни глини (разновидност 2), за която остатъчните якостни показатели са съответно ϕ=8,6о и с=0.18 105 Ра.

Табл. 1 Обобщени физикомеханични показатели на инженерногеоложките разновидности от

насипите и подложката им

№ Разновидност Обемна плътност

ЪГЪЛ НА ВЪТРЕШНО ТРИЕНЕ φ˚

КОХЕЗИЯ с х 105Ра

ρn kn/m3 Върхова Остатъчна Върхова Остатъчна Норм. Изч. Норм. Изч. Норм. Изч. Норм Изчл 1 Почвен слой с

чакъли - - - - - - - -

2 Тъмносива до черна глина

2,04 10,8 9 8,6 7,2 0,46 0,26 0,18 0,1

3 Светлокафява до кафява глина

2,07 13 10,8 12,2 10,2 0,53 0,29 0,24 0,13

4 Кафява песъклива глина

2,12 7 5,8 7,3 6,1 0,41 0,23 0,27 0,15

5 Тъмнокафява песъклива глина

2,02 12,3 10,3 11 9,2 0,49 0,27 0,15 0,1

6 Бледо до сивожълтеникава глина

2,07 10,8 9 8,6 7,2 0,46 0,26 0,18 0,1

7 Червеникава до червена глина

2,2 12 10 10 8,3 0,28 0,16 0,19 0,11

Минималните стойности за кохезията за същите глини обаче са с=0.07105 Ра. Тези

стойнoсти са използвани при определянето на устойчивостта на насипа, тъй като те отразяват най-неблагоприятните условия на експлоатацията му.

3. Геодинамични условия на изследвания терен и железопътните насипи Както вече беше отбелязано, голяма част от насипите вероятно са изграждани от

делувиалните глинести разновидности, които са се намирали в страни от основите на насипите. В резултат на това изгребване, след изграждането на първия насип, е създадено релефно понижение в страни от него, в което продължително време са се събирали склонови води Фиг. 5.

Тези води са престоявали дълго време и вероятно само през лятото са се изпарявали. Това е довеждало до постоянно овлажняване на основите на насипите.

Фиг. 5 Високо ниво на подземните води в района на аварията

След удвояването на ЖП линията, т.е след изграждането на втория, долепен до първия насип, очевидно положението се е влошило. Най-напред в същия насип (както и в първия) са полагани същите делувиални глини, залягащи около трасето. Нещо повече - в профил 1 и профил 2 (Фиг. 3 и 4) има тъмно сиви до черни глини с късове от чакъли, т.е това е направо почвен слой с чакъли, положен в насипа.

След изграждането на насипа заблатяването в основата му е продължило и това е довело до продължително водонасищане на глините от същия насип, както от директното намокряне, така и по капилярен път (Известно е, че капилярното покачване в подобни по зърнометричен състав глини е повече от няколко метра) [5].

Не бива да се пренебрегва и обстоятелството, че намокряне на глините от насипа може да се осъществява и при продължителни валежи и снеготопене. За съжаление водоотдаването на водите от насипа е много по-бавен процес от намокрянето. В такива глини, в които глинестата фракция е повече от 30% и при наличие на хидрофилни органични съединения в тях, по-голямата част от водата е здраво и слабосвързана около мицелите на глинестите минерали. В това състояние нейното отдаване при дрениране е невъзможно. [5]

Същевременно около глинестите минерали се формират дебели хидратни обвивки, които обуславят коагулационни структурни връзки между тях [3], [4].

Тези коагулационни връзки определят ниските якостно-деформационни показатели на глините от ЖП насипа и пластичното му деформиране. Всъщност причината за пропадането на насипа по време на аварията е свързана именно с обемнопластичното деформиране и локално пропадане на част от насипа (За характера на структурните връзки се съди от

зависимостта "срязващо напрежение - деформация", които имат подчертано пластичен характер на деформиране) [1]

Процесът на пластично деформиране и пропадане се потвърждава и от последните геодезични измервания, проведени от "ТРАНСГЕО"-София. За периода 15.12.2000-15.01.2001 ЖП линиите в изследвания участък са пропаднали с 5мм. Този факт показва, че деформационният процес продължава.

За лошото състояние на насипа очевидно допринася и последователното долепване на втората част към първата част на сегашния общ насип. Обикновено в такива случаи се създават условия за локално пропадане на отделни части от такива долепени насипи поради това, че връзката между двете части на насипа е много слаба.

4. Оценка на устойчивостта на ЖП насипа Приложените изчисления за устойчивост в участъка на пропадане на ЖП. насипа са направени по два профила (Фиг. 3 и 4) по метода - "кръгово-цилиндрична повърхност" [2]

При изследването на устойчивостта на насипа са разгледани два варианта. Първият е за естествено състояние без допълнителни натоварвания, а вторият вариант разглежда случая на оказан допълнителен товар върху насипа от преминаващ влак. Обобщените резултати са отразени на табл. 2

табл. 2

Резултати от изчисленията за устойчивост на насипите

Профил № Състояние Коефициент на устойчивост F

Естествено състояние

F=1.05 Профил 1

Случай на преминаващ влак

F=0.96

Естествено състояние

F=1.08 Профил 2

Случай на преминаващ влак

F=0.96

Ясно се вижда, че коефициентът на устойчивост на насипите е значително по - нисък в

случаите когато преминават влакове, което се дължи естествено на приложения допълнителен динамичен товар. Това, което е особено важно да се отбележи, че при същия товар коефициента на устойчивост е под граничното равновесие т.е. получава се обемно пластично деформиране с пластично изтласкване на насипа в страни.

Получените резултати много добре характеризират измененията в устойчивостта на насипите, което е насъпило в района на аварията при най-неблагоприятните фактори, коит са въздействали върху устойчивостта им (ниски съпротивителни сили и наличие на подземни води в основата).

Динамичната характеристика на изследваната зона предопредели и мероприятията за укрепването и, а именно: изграждане на армирани насипи с геомрежи и отводняване на

засегнатия участък. За намаляване на водното съдържание във водонаситените черни глини се предвижда изграждане на варови пилоти и специална водопонизителна система.

Заключение:

Детаилните инженерногеоложки проучвания и оценката за устойчивостта на авариралия участък в динамични условия помогнаха да се намери правилно решение за укрепването на този участък и ликвидирането на последиците от една тежка авария, която практически беше намалила до минимум пропускателната способност на една от най-важните ж.п. линии в България. Литература: 1. Ангелов К. Автореферат, Москва, МГУ 1976 2. Ангелов К. "Ръководство за упражнения по инженерна геодинамика", София, 1988 3. Осипов, В .И. Инженерно-геологическия классификация глинистых пород. В-к Московского университета, Геология, №4, 1976 4. Осипов, В .И., В. Г. Бабак, Б.Б. Зуев Физикохимический подход при изучения механических свойств глинестых грунтов. Инженерная геология. АН СССР, 4, 1979 5. Сергеев Е.М – Грунтоведение, Москва, МГУ 1971г