Работа габионных конструкций в условиях Севера

Ледовые нагрузки на берегоукрепительные сооружения из габионов имеют свою специфику. Чаще всего они расположены на вечной мерзлоте (в поясе вечной мерзлоты), толщина льда составляет 1-1,5 м, на реках возможны заторы, которые поднимаются на 2-5 м выше уровня меженных вод и льдины выталкиваются на берег, что нарушает прочность берегоукрепительных сооружений – их целостность и конфигурацию. Чем выше скорость течения во время ледохода, тем большую нагрузку испытывает берегоукрепительное сооружение. Но если образовался затор, то лед наслаивается один на другой, поднимается уровень воды и берегоукрепительные сооружения испытывают нагрузку не только вдоль сооружения, но и поперек. Когда затор ликвидируется взрывом или естественным путем, то берегоукрепительные сооружения опять испытывают нагрузку от скользящих вниз по сооружению льдин.

Освоение северных территорий идет все более интенсивно и возникает необходимость в берегоукрепительных сооружениях из габионов, ибо другие технологии уже опробованы и результат как по цене, так и по надежности неудовлетворительный (рис. 1).

При расчетах скорости движения ледяных полей и воздействия их на берегоукрепительные сооружения исходят из эмпирической формулы:

V расч =1,25

Vср ,

где Vср – средняя скорость течения воды, а для водохранилищ скорость движения ледяных полей зависит пре- жде всего от скорости ветра.

= 0,03 V w мах ,

Vмах где Vw max – скорость ветра при однопроцентной обеспеченности.

Рис. 1. Крепление подмостового перехода габионами. Дорога Иркутск-Чита, 426 км.

Толщина снежного покрова – 0,5 м, толщина льда – 0,4 м. В холодные зимы образуется наледь

По строительным нормам расчетная скорость льдины для водохранилищ принимается равным 3% от значения скорости ветра, но не более 1 м/с. Выделяют динамические и статистические режимы воздействия льда на ГТС. К динамическим относят прямые или внецентренные удары льдин о сооружения, время воздействия которых мало, и основное воздействие от них – от силы инерции. К статическим относят наползание льда на откосы берегоукрепительных сооружений.

Сила внедрения льда в сооружения равна: F = σ А, где А – площадь контакта при разрушении льда, σ – прочность льда на разрушения. Здесь следует отметить, что наибольшая величина потерь кинетической энергии тел при соударении происходит при неупругом ударе, когда энергия после удара не восстанавливается, а расходуется на деформацию или на нагревание тела. При соприкосновении ледяного поля толщиной h м с откосом гидротехнического сооружения происходит частичное смятие кромки льда с откосом и возрастание силы N, направленной по нормали к наклонной плоскости с углом β. Со стороны потока на льдину действует сила трения Т, направленная вдоль наклонной плоскости. Силы Н и Т связаны между собой зависимостью T=Nf, где f – коэффициент трения между льдиной и ГТС, равный, примерно, 0,07:0,14. Кроме сил N и T на льдину действуют G – вертикальная сила, равная разнице веса льдины и выталкивающей силы, Р – сила, оказывающая давление со стороны потока на льдину (рис. 2-3).

Рис. 2. Схема взаимодействия льдины и откоса сооружения

Рис. 3. Навалы льда на откосы дамбы г. Томск, 2006 г.

Устойчивость габионной конструкции на откосе при взаимодействии со льдом можно подсчитать по формуле (рис. 4-5):

F уд.г = [(2Q г +Q лед ) × сos π×β/(180) + f × 2Q г × Sin π×β/(180)], где Q_г – вес габионов (камень + сетка), f – коэффициент внутреннего трения f=tan π×Ø/(180), Ø=30 градусов (угол внутреннего трения), габион связан с другими габионами, поэтому его вес увеличивается вдвое.

Qлед = h2 × m × Yлед/2, где Yлед – удельный вес льда = 0,9, m – крутизна откосов, h – толщина льда, м.

Рис. 4. Схема к расчету устойчивости габионов на откосе

Рис. 5. Схема взаимодействия ледяного покрова и габионной конструкции при изменении уровня воды

Кроме сил трения габионов о грунт, трения габионов о лед, вмерзания сетки в лед и т.д. еще действует вырывающая сила льда. Осенью, когда уровень воды еще достаточно высок, образуется лед, а с течением времени (1-2 месяца) уровень воды понижается и в этот момент вмерзшие в лед габионы испытывают вырывающую силу (рис. 6).

Удерживающую силу с учетом защиты откоса гобионной конструкции при изменении уровня воды рассчитывают по формуле:

1г ч СО»

М уд = Qг/2×[

]+(Q лед /3)×(m×h)

Рис. 6. Бурятия, р. Джида, видна деформация габионов при понижении уровня воды в зимний период

Рис. 7. Матрасы Рено в берегоукрепительных сооружениях в районах с низкими температурами.

1 – матрасы Рено толщиной 0,2-0,3 м; 2 – матрасы Рено толщиной 0,5 м; 3 – матрасы на пляжном откосе, предохраняющий сооружение от подмыва; А- уровень воды (льда) не реже одного раза в 25 лет;

Б – уровень воды (льда) не реже одного раза в 50 лет

Исходя из опыта строительство габионных берегоукрепительных сооружений в районах с низкими температурами предложено два варианта береговой защиты от ледохода весной и размыва береговой линии летом. Это матрасы Рено, уложенные в один слой различной толщины (рис. 7), и матрасы Рено в сочетании с гравитационной подпорной стенкой (рис. 8). Следует обратить внимание на анкера, связывающие габионное сооружение с грунтом. Их применение резко повышает устойчивость конструкции к сдвигу и подмыву, хотя и приводит к удорожанию на 5-10%.

Рис. 8. Берегоукрепительные сооружения из матрасов Рено различной толщины в сочетании с гравитационной стенкой. 1 – матрасы Рено толщиной 0,2-0,3 м; 2 – матрасы Рено толщиной 0,5 м; 3 – матрасы на пляжном откосе, предохраняющие сооружение от подмыва; 4 – подпорная стенка высотой 1,5 м; 5 – анкера

На рис. 9 показаны последствия не применения анкеров на реке Джида в Республике Бурятия. Без таких дополнительных креплений (анкеров) габионная конструкция выдержала всего 3 года и пришлось заменить ее новой, уже учитывая предыдущий опыт. При выборе одной из этих схем следует руководствоваться конфигурацией береговой линии, сроками строительства, ценой и товарным видом сооружения.

Рис. 9. Последствия разрушения габионной конструкции без применения анкеров, река Джида, Республика Бурятия

Почему ограничиваемся берегоукрепительными сооружениями с двухпроцентной водообеспеченностью, а не однопроцентной. Во-первых, на Севере страны столетние гидрологические наблюдения осуществлялись всего в нескольких районах. Во-вторых, при строительстве габионного сооружения, расчитанного на однопроцентную водообеспеченность, резко возрастают стоимость и сроки строительства. В-третьих, при высоких уровнях воды и подъема льда следует строить берегоукрепительные сооружения по другой технологии и из других материалов (дамба, шпунт, и др.), но защищать прилежащие территории от грунтовых вод проблематично. Схемы габионных сооружений, приведенные на рис. 3-4, следует дополнить следующими уточнениями.

• 1.    Сетка должна быть изготовлена из проволоки 3 мм с гальваническим покрытием и желательно, чтобы поверх его была защита из ПХВ.

• 2.    Береговые откосы, подготовленные к укладке матрасов, должны быть не круче, чем 1:1,5, но желательно 1:2.

• 3.    Если толщина льда 1-1,5 м, то места матрасов, соприкасающихся со льдом, следует дополнительно укрепить кольчужной сеткой или сеткой с шестигранной ячейкой, но меньшей размерной группы. Она должна быть уложена под сетку, изготовленную из проволоки 3 мм.

• 4.    Наружная часть матрасов и подпорных стенок должна быть уложена таким образом, чтобы сохранялась ровная поверхность с наименьшим количеством пустот, тогда трение льда о сооружение минимальное.

• 5.    Если в обычных габионных сооружениях (место сухое, нагрузка минимальная и т.д.) допускается внутрь сооружения засыпать любой камень, то здесь желательно его укладывать вручную, уменьшая пустоты и увеличивая его прочность и массу. Камень, как и ранее указывалось в справочниках, должен выдерживать не менее 50 циклов замораживания – оттаивания и быть на 10-15% больше по размеру, чем размер ячейки сетки. Как указывалось в пункте «1» проволока в сетке должна быть 3 мм, значит, сетка – с ячейкой 120 мм. Таким образом, камень должен быть размером 140-200 мм.

• 6.    Под матрасы Рено рекомендуется укладывать фильтрующую ткань (геотекстиль) высокого качества, плотностью 250 г/м². Здесь следует напомнить, что когда не было геотекстиля, то использовали солому с толщиной слоя 5-7 см, а в Украине в 1970-е гг. укладывали ветки тальника такой же толщины. Пшеничная солома гниет до 4 лет, а рисовая до 5 лет, ветки тальника проростают, еще более укрепляя сооружение. Хорошо себя зарекомендовала облепиха, высаженная прямо на матрасы, но это приемлимо в южных районах страны. В Забайкалье были проведены опыты по укреплению матрасов кольями тальника, из которых прижилось 20-30%. Колья длиной 50 см забивались сквозь матрас высотой 30 см и через 20 лет матрасы настолько заросли и за-кольматировались, что обнаружить их требовалось немало времени (опыт проводился на территории равной 20 м² на одной из проток р. Селенги).

• 7.    Чтобы на габионных конструкциях быстрее появлялась растительность рекомендуется их части, выступающие из воды, засыпать гумусом или под верхнюю сетку подлаживать солому, которая создает микроклимат и растительность появляется быстрее. Но при приемке сооружения приемной комиссией не видно размеров камня, качества укладки и т.д., что нужно отражать в актах скрытых работ.

• 8.    Следует вести периодический осмотр габионных сооружений не реже двух раз в год – после ледохода и резкого подъема воды, результаты осмотра заносить в журнал осмотра габионных сооружений. В случае разрушения и деформации сооружения производить его ремонт.