Примеры адаптации стандартных камнеулавливающих барьеров к конкретным условиям. Часть 1

Сетчатые барьеры для защиты от проявлений склоновых процессов

Для обеспечения безопасной эксплуатации автомобильных и железных дорог, пешеходных троп, лыжных трасс, зданий и других инженерных объектов на территориях со сложным рельефом часто возникает необходимость в их инженерной защите от камнепадов, осыпей, селей, лавин и прочих проявлений склоновых процессов (рис. 1). Наиболее быстрым, дешевым и экологичным является устройство таких гибких защитных систем, как сетчатые барьеры. При правильном проектировании они могут быть не менее эффективными, чем дорогие капитальные сооружения, несмотря на то что их недостатком является необходимость регулярного обслуживания (извлечения «пойманного» материала и иногда ремонта). К тому же защитные сетчатые ограждения можно устанавливать даже в довольно труднодоступных для другого строительства местах, они не портят внешний вид местности и позволяют легко заменять их отдельные элементы [1–4].

Рис. 1. Для обеспечения безопасности инженерных объектов на территориях со сложным рельефом часто возникает необходимость в их инженерной защите от осыпей, камнепадов, лавин, селей и других проявлений опасных склоновых процессов [6]

Напомним [1–3], что основными элементами таких систем являются (рис. 2, 3):

• стойки разных конструкций, обычно изготавливаемые из стальных двутавровых балок и устанавливаемые на определенном расстоянии друг от друга вдоль запроектированной оси защитного барьера (они могут крепиться к фундаментам либо жестко, либо через особые шарниры);
• стальные несущие тросы, горизонтально натягиваемые между соседними стойками (сверху и снизу, а иногда и на других уровнях);
• высокопрочная стальная сетка разных конструкций, натягиваемая в каждой секции между несущими тросами и стойками (секции сетки соединяются между собой с помощью специальных соединительных скоб);
• фундаменты стоек разных конструкций, имеющие сверху стальные опорные пластины, к которым прикрепляются стойки (а в некоторых случаях и нижние несущие тросы и/или оттяжки);
• оттяжки стоек (при жестком прикреплении стоек к фундаментам нужны не всегда) – металлические тросы, которые натягиваются между стойками и грунтовыми анкерами;
• грунтовые анкеры – несущие элементы, которые передают нагрузку от стоек и оттяжек на грунт основания и обычно устраиваются выше по склону от оси защитного барьера (но иногда и по обе стороны);
• амортизирующие (тормозные, демпфирующие) элементы различных конструкций (чаще всего специальные стальные витки) на оттяжках стоек и иногда на несущих тросах.

Рис. 2. Схема одного из вариантов камнеулавливающих барьеров (по [2, 3]): 1 – высокопрочная стальная сетка; 2 – несущие стальные тросы; 3 – стойка; 4 – оттяжки; 5 – амортизирующие элементы; 6 – опорные пластины; 7 – анкерные крепления (грунтовые анкеры)

Рис. 3. Схема одного из вариантов камнеулавливающих барьеров в поперечном разрезе (по [2, 3])

Все или почти все элементы сетчатого барьера взаимодействуют друг с другом и особенно активно включаются в работу при динамическом воздействии на систему, поглощая всю кинетическую энергию удара. Ударная нагрузка воспринимается металлической сеткой и передается через тросы, стойки и оттяжки на фундаменты и анкеры, а оттуда – на грунтовое основание. При этом упругие и пластические деформации конструкций не должны превышать допустимых значений, а остаточная полезная высота барьера после максимального воздействия не должна быть меньше, чем было рассчитано при проектировании.

Ограничения стандартизации

Выбор типа защитного сетчатого ограждения и его проектирование зависят от видов и энергии возможных динамических воздействий на него, геолого-геоморфологических условий местности, экологических требований, экономических возможностей заказчика и пр. Верные расчеты на основе надежных данных инженерных изысканий и геотехнического мониторинга, правильное проектирование по методу предельных состояний, качественно произведенные элементы системы и ее добросовестный монтаж обеспечивают ее надежное функционирование [1–4].

Сетчатые барьеры для защиты от проявлений опасных склоновых процессов эффективно используются по всему миру уже пять или шесть десятилетий. И хотя основная концепция их создания все это время оставалась относительно неизменной, их конструкции все время развивались и теперь могут выдерживать гораздо более сильные воздействия и поглощать гораздо большее количество энергии, чем поначалу.

Рассматриваемые системы уже не раз доказывали свою высокую эффективность. Технические решения по их устройству предлагаются многими компаниями, но всегда остается место для их дальнейшего изучения и развития. В этом отношении интересен, например, доклад «Специальные решения по снижению степени опасности» [5], сделанный в 2014 году инженерами из Канады и Австрии А. Бехлером и Г. Штельцером (сотрудниками компании Trumer Schutzbauten) на 6-й Канадской конференции по опасным геологическим процессам и явлениям. Рассмотрим материалы этой работы более подробно.

В указанном докладе [5] подчеркивается, что, несмотря на все преимущества строгого следования стандартам и использования сертифицированных продуктов в отношении проектирования, испытаний, производства и монтажа защитных сетчатых барьеров (что в целом, несомненно, повышает предсказуемость и надежность их функционирования), иногда бывает необходимо модифицировать такие сооружения для их наиболее эффективной комплексной адаптации к реальным условиям.

Например, испытания противокамнепадных (камнеулавливающих) ограждений все производители должны выполнять в полномасштабной форме стандартным образом и в сходных условиях (рис. 4). При ударе бетонного блока (или последовательных ударах бетонных блоков) с определенной массой и скоростью по средней части сетчатой панели и после него регистрируются силы воздействия на анкеры, максимальные упругие и пластические деформации элементов, остаточная полезная высота ограждения и т.д. На основе результатов испытаний определяются максимальные и приемлемые энергии ударов, которые система способна выдержать, и ее допустимые деформации. Все это используется при оформлении сертификационных документов.

Рис. 4. Полномасштабные стандартные (слева) и дополнительные (справа) испытания гибкого камнеулавливающего барьера на удар бетонного блока или группы бетонных блоков [6]

Но такая стандартизация продуктов, предназначенных для защиты от чрезвычайно изменчивых природных опасностей и в условиях сложного рельефа, может быть ограничивающей. Ведь стандарты только требуют гарантирования минимального уровня функциональности и обеспечивают возможность сравнения продуктов разных производителей. Но идеализированные стандартные испытания (да еще с геометрическими ограничениями работы испытательного оборудования) редко полностью отражают реальные условия конкретных площадок будущего строительства, для которых обычно не проводится тщательная оценка эффективности работы защитных систем, а также мало рассматриваются технологии монтажа и эксплуатационное обслуживание.

Поэтому некоторые западноевропейские институты начали публиковать всеобъемлющие руководства, предназначенные для дополнения используемых с 2008 года директив по европейской технической сертификации камнеулавливающих систем ETAG 27 (и, например, аналогичных инструкций австрийской службы по защите от проявлений склоновых процессов WLV) с учетом тех или иных реальных условий – например ONR 24810 Австрийского института стандартов (ASI). Но и таких расширенных руководств бывает недостаточно. Ведь независимо от степени тестирования и сертификации защитные сооружения должны быть адаптированы к конкретным условиям мест их установки и к требованиям заказчиков.

Это же касается и противоселевых (селеулавливающих) и противолавинных (снегоудерживающих) барьеров, для которых имеются другие международные и национальные директивы.

Бехлер и Штельцер [5] перечисляют следующие основные (но далеко не все) проблемы, не учитываемые при стандартном тестировании и сертификации, но обнаруживаемые при проектировании и установке сетчатых защитных систем в конкретных условиях:

• воздействия на концевых участках барьеров, особенно при ограничениях их протяженности, связанных, например, с рельефом или правом собственности;
• удары по менее гибким участкам сетки вблизи стоек;
• множественные одновременные воздействия;
• уникальные сценарии воздействий, связанные с особенностями реальной площадки или самого события;
• распределенные нагрузки (например, при накоплении снега или при сходе лавины, оползня или селя);
• усилия в анкерах (поскольку геометрия испытаний не учитывает все направления воздействий и/или может быть невоспроизводима на месте);
• интервалы между стойками для конкретных особенностей рельефа, условий бурения и возможных воздействий;
• требования к фундаментам (как правило, не отражаемые в руководствах и в сертификационных документах);
• высота барьера;
• слишком изменчивый рельеф;
• схема размещения и укрепления концевых участков барьеров;
• ограничения по растягиванию (удлинению элементов) системы при динамическом событии;
• ограничения, связанные с требованиями заказчика к обслуживанию системы;
• требования к материалам (например, требование использовать только местные материалы, которые могут быть несертифицированными).

Необходимость внесения изменений в стандартные проекты камнеулавливающих барьеров. Практические примеры

Перечисленные выше и другие проблемы требуют адаптации сертифицированных барьеров, имеющихся на рынке, к реальным площадкам и их кастомизации под требования конкретного заказчика. В результате полученные модифицированные системы могут уже не соответствовать текущим стандартам и сертификационным требованиям. Но это вовсе не означает, что они будут менее эффективны. Наоборот, они могут оказаться гораздо надежнее, чем при слепом следовании требованиям нормативных документов и использовании исключительно сертифицированных продуктов. Чтобы подкрепить это мнение, Бехлер и Штельцер рассмотрели в своем докладе [5] ряд случаев из практики, в которых адаптация и иногда кастомизация стандартных решений привели к более надежным системам для снижения природных и даже антропогенных опасностей.

Пример 1. Изменение высоты барьера

В хорватском городе Омиш было необходимо защитить от камнепадов и осыпей новые здания, прочие объекты инфраструктуры и дорогу на подъезде к недавно построенному полуторакилометровому тоннелю.

На основе результатов инженерных изысканий для уменьшения опасности было решено установить на опасном склоне серию противокамнепадных барьеров, выдерживающих энергию удара до 3000 и до 5000 кДж. 

Там, где это было возможно, монтировались стандартные системы, сертифицированные по ETAG 27.

Но в двух местах, выбранных для оптимального положения барьеров, высота возможных отскоков камней превышала высоту имевшихся на рынке стандартных систем. Необходима была их адаптация с учетом увеличения высоты конструкций.

Было решено установить на этих наиболее опасных участках гибкие противокамнепадные барьеры с шарнирным прикреплением нижних частей стоек к фундаментам и усилением стоек оттяжками. Высота ограждений, выдерживающих энергию удара до 3000 кДж, составила 7 и 8,5 м, а выдерживающих до 5000 кДж – 8 и 8,5 м.

Однако соответствующие системы были сертифицированы согласно ETAG 27 только для высот от 5 до 7 м. Поэтому, чтобы скомпенсировать возросшую тенденцию стоек к изгибам из-за увеличенной высоты, для их изготовления были выбраны двутавровые балки, которые имели большее поперечное сечение.

Для комплексной адаптации пришлось также внести и другие изменения, например сделать расстояния между анкерами подходящими для более высоких стоек и увеличить количество уровней несущих тросов и оттяжек.

В итоге на двух указанных участках были построены надежные камнеулавливающие барьеры (рис. 5). Но если бы строго соблюдались требования ETAG 27, то адекватная защита там была бы невозможна.

Рис. 5. Пример адаптированного к конкретным условиям камнеулавливающего барьера высотой 8,5 м [5]

Пример 2. Адаптации устройства фундамента, стоек и опорных пластин

С момента строительства до 2008 года на одном из участков Трансканадского шоссе в каньоне Фрейзер (провинция Британская Колумбия, западная часть Канады) произошло более 60 серьезных камнепадов и осыпей, поэтому пришлось задуматься о его инженерной защите.

В 2008 году Министерство транспорта и инфраструктуры Британской Колумбии построило вдоль дороги у подножия склона на этом участке габионную дамбу, имевшую высоту до 8 м, ширину подошвы 7 м, ширину гребня 5,5 м и рассчитанную на силу удара до 10 000 кДж. Через некоторое время, понаблюдав за динамическими воздействиями на сооружение, министерство решило увеличить срок его службы и облегчить его техническое обслуживание. Поэтому на обращенной к склону стороне дамбы были подвешены маты из автомобильных покрышек для защиты проволочной сетки габионов от повреждений при ударах камней. Однако в 2010 году сооружение все равно не справилось. Сорвавшийся со склона валун объемом около 1 куб. м пролетел немного выше дамбы, ударил по последнему габиону гребня, смотревшему на шоссе, частично разрушив его, и перелетел через проезжую часть.

Соответственно, пришлось снова пересмотреть устройство защитной системы. И в 2011 году министерство предложило установить на гребне дамбы сетчатое камнеулавливающее ограждение с жестко закрепленными стойками, рассчитанное на энергию удара до 2000 кДж, а также на распределенную нагрузку от лавин величиной 25 кПа по всей длине сооружения (рис. 6).

Рис. 6. Сетчатый камнеулавливающий барьер с жестко закрепленными нижними концами стоек, установленный на габионной дамбе

В качестве основы был взят проект противокамнепадного барьера с жестко закрепленными снизу стойками, рассчитанного на энергию удара до 2000 кДж и испытанного в соответствии с руководством WLV. Однако в конкретной рассматриваемой ситуации основное дополнительное требование заказчика заключалось в отказе от традиционных фундаментов стоек, то есть от буроинъекционных анкеров или железобетонных фундаментов, так как это могло поставить под угрозу целостность дамбы.

Решили покрыть габионное сооружение сверху массивной защитной стальной плитой с перевернутым U-образным сечением, надежно ее закрепить, а сверху приварить к ней опорные пластины стоек сетчатого барьера. При этом концевые стойки были дополнительно усилены оттяжками, прикрепленными к грунтовым анкерам по обе стороны дамбы.

Для комплексного решения проблемы было необходимо и множество других адаптаций. Так, чтобы закрепить снизу каждую стойку, была разработана система ее штифтовых соединений с модифицированной опорной пластиной. Перпендикулярно этой пластине отходят вверх 2 параллельных пластинчатых ребра с совпадающими по расположению отверстиями в них диаметром около 100 мм. Нижняя часть самой стойки имеет сбоку 3 вертикальных пластинчатых ребра с соответствующим одинаковым расположением отверстий того же диаметра. При установке ее среднее ребро вдвигают в щель между вертикальными ребрами опорной пластины так, чтобы все 5 отверстий в ребрах совпали. В эти отверстия вставляется стальной штифт диаметром 100 мм, который проходит через все пять ребер и прочно закрепляется с другой стороны болтом (рис. 7).

Рис. 7. Нижняя стойки, жестко соединенная через вертикальные ребра штифтом с ребрами модифицированной опорной пластины, приваренной к стальному покрытию гребня габионной дамбы

Хотя фундаменты не входят в процессы стандартных испытаний или сертификации, изменения устройства стоек систем, сертифицированных, например, по ETAG 27, не допускаются. Но стандартная система болтовых креплений для соединения стоек с опорными пластинами привела бы к гораздо менее надежным конструкциям. Поэтому для адаптации к рассматриваемым условиям все же было принято решение модифицировать стандартно испытанную систему, чтобы сделать ее более безопасной.

—

Мы приведем еще несколько очень интересных практических примеров из опыта компании Trumer Schutzbauten по докладу А. Бехлера и Г. Штельцера [5] в следующей части статьи.

—

Если у читателей возник интерес к работе рассмотренных систем или необходимость в проектировании, производстве, монтаже и обслуживании сетчатых конструкций для защиты от опасных проявлений склоновых процессов, они всегда могут обратиться в российское представительство австрийской компании Trumer Schutzbauten – ведущего мирового производителя систем защиты от опасных природных процессов и явлений [4, 6] и одного из партнеров независимого электронного журнала «ГеоИнфо».

Источники

1. Гибкие противоселевые барьеры: из опыта компании Trumer Schutzbauten // Geoinfo.ru. 27.02.2020. URL: https://www.geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/gibkie-protivoselevye-barery-iz-opyta-kompanii-trumer-schutzbauten-42258.shtml.
2. Мариничев М.Б., Макушева А.В. Защита территорий от камнепадных процессов. Краснодар: Изд-во Кубанского государственного аграрного университета имени И.Т. Трубилина, 2017. URL: https://kubsau.ru/upload/iblock/5f6/5f6c0669129362aaa3dae96b0c868c5e.pdf.
3. Оптимальный противокамнепадный барьер. Рассуждения на основе передового опыта // Geoinfo.ru. 08.04.2019. URL: https://www.geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/optimalnyj-protivokamnepadnyj-barer-rassuzhdeniya-na-osnove-peredovogo-opyta-40577.shtml.
4. ООО «ТРУМЕР ЩУТЦБАУТЕН РУС» // TRUMER SCHUTZBAUTEN GMBH. Дата последнего обращения: 18.05.2020. URL: https://www.geoinfo.ru/brand/trumer-shchutcbauten-rus-trumer-schutzbauten-gmbh/.
5. Bichler A., Stelzer G. Special solutions in hazard mitigation // Proceedings of the 6-th Canadian GeoHazards Conference (GeoHazards 6), Queen’s University in Kingston, Kingston, Ontario, Canada, 15–18 June 2014. The Canadian Geotechncial Society (CGS), 2014. URL: https://trumer.ca/literature.
6. Natural Hazard Protection // TRUMER Schutzbauten. The last access date: 20.05.2020. URL: https://trumer.ca/wp-content/uploads/2017/03/Trumer-Natural-Hazard-Protection.pdf.

Заглавное фото: https://trumer.ca/wp-content/uploads/2017/03/Trumer-Natural-Hazard-Protection.pdf [6]