Практический опыт по борьбе с камнепадами на национальной дорожной сети в Северной Македонии

Введение

Вдоль дорог часто происходят различные типы перемещений масс, такие как оползни и камнепады. Вместе с наводнениями на некоторых участках они приводят к значительным экономическим потерям и гибели людей [1]. Эти проблемы важны во всем мире, и для их комплексного решения необходимо разрабатывать соответствующие исследовательские проекты.

В Республике Северная Македония особое внимание уделяется общим рекомендациям по проектированию восстановления наиболее распространенных типов повреждений транспортной и водной инфраструктуры, содержащихся в основном руководстве страны по улучшению восстановления [2]. Еще одним важным национальным документом является руководство по государственным дорогам [3], подготовленное международной консалтинговой компанией IMC Worldwide и поддержанное Всемирным банком, которое помогает политикам и лицам, принимающим решения, содействовать проектам по повышению устойчивости транспортной инфраструктуры к изменениям климата.

Опыт авторов, накопленный в отношении опасностей камнепадов, позволил сделать вывод, что все соответствующие риски необходимо минимизировать до приемлемого уровня с использованием постоянного правильного управления, во что должны быть вовлечены различные заинтересованные стороны [4–6].

С учетом сложности данных проблем в статье будут представлены возможные соотношения между коэффициентом устойчивости K_у, вероятностью разрушения P_р и коэффициентом надежности β для поиска так называемого приемлемого уровня риска. Разработанная авторами методика в основном относится к камнепадам, но ее можно адаптировать и для решения других геотехнических задач.

Предлагаемая методика исследований

Методика исследований основана на анализе типичных камнепадов и применяемых мер по борьбе с ними. Эти вопросы специфичны, поскольку все предпринимаемые меры связаны с некоторой неопределенностью входных параметров, которая зависит от большого разнообразия инженерно-геологических условий (геологического строения, неоднородностей, разрывов сплошности, анизотропии, напряжений, прочности грунтового массива, гидрогеологических условий и т. д.).

К числу других факторов неопределенности, которые необходимо учитывать при разработке защитных мер для участков дорог, проходящих под скальными склонами, относятся условия нагружения, поскольку они влияют на надежность анализа. Более того, иногда после какого-либо опасного события требуется срочное принятие необходимых мер. Обычный подход к менеджменту, применяемый в Государственном дорожном управлении Северной Македонии, представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Блок-схема, иллюстрирующая процесс решения проблем устойчивости склонов в Государственном дорожном управлении Северной Македонии [4]

Из рисунка 1 видно, что сразу после склонового события первым необходимым шагом является выезд на объект с целью назначения срочных временных (начальных) мер. После этого идут типичные этапы подготовки, исследований и проектирования в соответствии с программой обеспечения устойчивости и защиты склона, которые перекрываются друг с другом, и принимаются необходимые меры. При этом во время эксплуатации требуется мониторинг, так как он должен подтвердить адекватность принятого и реализованного проектного решения.

Методика включает в себя обратный анализ прошлых событий, прогнозирование режимов разрушения, оценку прочности скальных грунтов и разрывов сплошности в них и т. д. Она основана на выполнении нескольких взаимосвязанных этапов действий с использованием следующих подходов:

• анализ возможных кинематических режимов разрушения;
• статистический анализ для определения функций распределения вероятностей для всех входных геотехнических параметров;
• определение коэффициента устойчивости;
• определение вероятности разрушения и коэффициента надежности;
• численный анализ с использованием метода конечных элементов для некоторых случаев;
• определение риска возникновения камнепадов или других видов оползневых событий;
• анализ эффективности затрат на применение мер по стабилизации и защите склона;
• определение приемлемого уровня риска.

Процедуры проектирования могут соответствовать различным стандартам или рекомендациям, но существует тенденция к тому, чтобы по мере возможности использовать анализ надежности, предложенный также в Еврокоде 7 [8].

Иногда настоятельно рекомендуется подготовить цифровую модель рельефа с использованием интеллектуальных технологий, которые обеспечивают простые и продуктивные картографирование и изыскания, в основном с использованием дронов. Полученные таким путем материалы затем служат основой для детального инженерно-геологического и структурно-геологического картирования, помогают определить потенциально нестабильные положения блоков скальных грунтов, их приблизительные объемы и кинематические условия разрушения массива. Анализ устойчивости склона, сложенного скальными грунтами с разрывами сплошности, должен выполняться с использованием вероятностного подхода, чтобы увидеть уровень исходной безопасности склона, получив значения коэффициента устойчивости K_у и вероятности разрушения P_р.

Помимо показателя P_р в качестве вероятностной меры безопасности также часто используется коэффициент надежности β. Если предположить, что после вероятностного анализа коэффициент устойчивости K_у имеет нормальное распределение, то для расчета величины β можно использовать следующее уравнение:

β = (μ – 1) / σ,                                         (1)

где β – коэффициент надежности; μ – среднее значение K_у; σ – стандартное отклонение K_у.

Можно заметить, что коэффициент надежности β представляет собой количество стандартных отклонений, которые отделяют среднее значение K_у от критической величины K_у. Значение β также можно рассчитать с помощью логнормального распределения.

Системы защиты критических участков дорог под скальными склонами состоят из нескольких основных элементов, применяемых в определенных местах в зависимости от ожидаемого характера разрушений.

Работы по стабилизации склонов и защите дорог под ними в основном заключаются в возведении противокамнепадных барьеров, устройстве грунтовых анкеров в сочетании со стальными тросами, нанесении торкрет-бетона в сочетании с металлическим сетчатым покрытием или завесой и анкерными болтами (нагелями), монтировании стальных сетчатых ограждений.

При анализе учитывается конкретный набор обстоятельств, таких как: объемы возможных камнепадов и их предполагаемое воздействие на инфраструктуру, условия и проблемы окружающей среды, расчетные нагрузки и т. д.

Противокамнепадные барьеры обычно проектируются с помощью анализа рисков и адекватного анализа возможных камнепадов.

На рисунках 2 и 3 отражен один из вариантов защиты дороги вблизи города Велес в конкретных условиях. Реализация противокамнепадных мер обычно происходит в условиях сложной морфологии склонов, что в большинстве случаев требует применения специальных технологий монтажа (см. рис. 3, б).

Рис. 2. Пример двумерного анализа камнепадов в программе Rockfall без противокамнепадного барьера (а) и с ним (б)

Рис. 3. Установленный противокамнепадный барьер в верхней части опасного склона в сочетании с защитным покрытием из проволочной сетки, закрепленной анкерными болтами (нагелями) в нижней части склона (а); особая техника установки несущих элементов (б)

Некоторые особенности применения противокамнепадных мер представлены на рисунках 4 и 5. Их реализация, как правило, является довольно сложным процессом.

Рис. 4. Применение противокамнепадных мер над участком дороги, ведущей из города Струмица в город Берово, с использованием специальных комбинаций проволочной сетки с анкерными болтами (нагелями) и стальными тросами

Рис. 5. Защита склонов над участком дороги, ведущей к арочной плотине Святой Петки, недалеко от города Скопье с использованием техники контролируемых (контурных) взрывных работ с последующим нанесением торкрет-бетона, укрепленного проволочной сеткой и анкерными болтами (нагелями)

Здесь необходимо найти оптимальный компромисс между приемлемым уровнем безопасности и экономичностью, что, возможно, является одной из основных задач с теоретической и практической точек зрения в дорожном и горном строительстве

На рисунке 6 обобщен опыт авторов в виде диаграмм, отражающих взаимосвязи между коэффициентом устойчивости K_у и вероятностью разрушения P_р, которые определяют несколько классов уровней риска. На рисунке 6, а показана связь между средними значениями K_у и величинами P_р, на рисунке 6, б – между рассчитанными значениями P_р и потенциальными экономическими потерями в случае камнепада. На обоих рисунках помечены зоны уровня риска: широко приемлемого (ШП), приемлемого (П), условно приемлемого (УП) и неприемлемого (НП).

Рис. 6. Концепция определения приемлемого уровня риска: среднее значение коэффициента устойчивости склона в зависимости от вероятности его разрушения (а); вероятности разрушения склона и потенциальные экономические потери в случаях камнепадов (б)

Необходимо избегать попадания в зону НП или же сокращать ее независимо от затрат.

В зоне УП риски могут быть допустимыми, поскольку существуют варианты оптимизации решений.

Величина X на рисунке 6, б включает возможные экономические последствия и человеческие жертвы. На практике она связана с оценкой и страхованием экономических потерь и потерь жизней. Фактически термин «ценность жизни» должен быть заменен термином «вложения (инвестиции) во избежание человеческих жертв». 

На рисунке 7 приведен простой способ определения так называемого эффекта защиты ( ЭЗ), то есть эффекта от применения мер по увеличению коэффициента устойчивости К_у, для оценки приемлемого (допустимого) уровня риска с помощью следующего уравнения:

ЭЗ = (К_з – К_н) / К_н,                                            (2)

где К_з – это К_у после применения защитных мер; К_н – это начальное значение К_у до применения защитных мер.

Рис. 7. Влияние финансовых вложений на коэффициент устойчивости Kу и вероятность разрушения Pр по данным для случая из практики, проанализированного в работе [7]

Предложения авторов по дальнейшим работам связаны с включением коэффициента надежности β, несмотря на то что до сих пор нет единого мнения относительно предлагаемого значения этого коэффициента и максимальной вероятности разрушения P_р для различных типов геотехнических сооружений, как это видно из работы [9], в которой приведены некоторые диапазоны указанных показателей.

Появились новые тенденции, которым следует следовать в ближайшем будущем. Например, в следующее поколение Еврокода 7 включен термин «классы последствий» (Consequence Classes – CC) [10].

В таблице представлены рекомендуемые авторами значения β и P_р (на основе данных, приведенных в работе [9]) для скальных склонов, где часто происходят камнепады. Эта таблица может быть полезна для выполнения анализов в будущем. Соответствующая обобщенная диаграмма представлена на рисунке 8. Один из примеров введения нужной величины эффекта защиты (ЭЗ) представлен на рисунке 9.

Таблица. Рекомендуемые авторами значения коэффициента надежности β и вероятности разрушения P_р для скальных склонов по отношению к классам последствий (СС) в Еврокоде 7

Рис. 8. Диаграмма, показывающая зоны риска в соответствии с рисунком 6 с указанием классов последствий по Еврокоду 7

Рис. 9. Пример вероятностного анализа устойчивости склона над дорогой, ведущей к арочной плотине Святой Петки: вероятность разрушения Pр составляет 12%; коэффициент надежности, соответствующий нормальному классу последствий, равен 1,165, что находится в зоне условно приемлемого риска (УП) на рисунке 8

Можно рассчитать необходимый относительный уровень затрат для достижения зоны с приемлемым уровнем риска (зоны П, см. рис. 8), если принять, что диапазон требуемых значений коэффициента надежности β_треб. для нормального класса последствий (CC2, см. рис. 8) должен составлять 2,33–3,00. Поскольку начальный коэффициент надежности β_нач. на рисунке 9 составляет 1,165, вложения должны быть примерно на 100–150% выше, чем в случае начальных значений для стабилизации склона, поскольку требуемый эффект защиты в соответствии с формулой (2):

ЭЗ_треб. = (2,33 – 1,165) / 1,165 = 1, или 100%.

Заключение

Приведенный анализ показывает, что любой практический опыт может быть полезен для развития новых идей, несмотря на то что каждый отдельный случай уникален и должен рассматриваться с учетом определенного набора обстоятельств. Принимаемые решения должны основываться не только на детальном анализе, но и на инженерных суждениях, полученных в результате практических и теоретических исследований рисков камнепадов и устойчивости склонов. Авторы полагают, что рассмотренный в статье опыт и предложенные подходы могут помочь найти более эффективные способы защиты от камнепадов с недостаточно стабильных в этом отношении склонов.

Источник для перевода

Jovanovski M., Peshevski I., Papic J., Abazi S. Experiences and practices from application of rockfall remedial works at MKD national road network // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2023. Vol. 129. Proceedings of the National transport infrastructure conference with international participation, 05.10.2023 – 07.10.2023, Nessebar, Bulgaria. № 1. Article 012010. DOI:10.1088/1757-899X/1297/1/012010. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/1297/1/012010

Список литературы, использованной авторами переведенной статьи

1. Peshevski I. Landslide susceptibility modelling using GIS technology: PhD thesis. Skopje, Macedonia: Faculty of Civil Engineering, Ss. Cyril and Methodius University in Skopje, 2015.
2. Popovska C., Jovanovski M. Build back better manual: roadmap towards resilient transport and water infrastructure: EU Flood Recovery Programme, United Nation Developing Program. 2018.
3. Abolmasov B., Pesevski I., White J.R., Panov A.:Technical assistance preparation of climate resilience design: guidelines for the Public Enterprise for State Roads. Skopje, 2019.
4. Nikolov E., Jovanovski M., Janevski B., Peshevski I., Velevski A., Milanovski M., Trajanovski V.:An Approach for rock slope protection on an area near City of Veles // Proceedings of the 5th Symposium of Macedonian Association for Geotechnics, ISRM Specialised Conference. Ohrid, 2022.
5. Jovanovski M., Dimitrov B. Experiences, methodology and principles for rock slope stabilisation: case for a road to arch dam “Sveta Petka”. Novi Sad: Savremena Gradjevinarska praksa, 2010.
6. Jovanovski M., Peshevski I., Papic J., Abazi S. An approach for slope protection on the access road to arch dam “Sveta Petka“ in Republic of Macedonia. Sarajevo: Naucni skup, Geoexpo, 2017.
7. Peshevski I., Jovanovski M., Nedelkovska N., Lepitkova S. One approach in definition of acceptable level of risk for slopes in hard rocks // Proceedings of the 16th Danube – European Conference on Geotechnical Engineering, 07–09 June. Skopje, 2018.
8. Vagnon F, Bonetto S., Ferrero A.M., Harrison J.P., Umili G. Eurocode 7 and rock engineering design: the case of rockfall protection barriers // Geosciences. 2020. Vol. 10. № 8. Article 305. DOI:10.3390/geosciences10080305.
9. Fernandez W., Villalobos S., King R. Probabilistic analysis of slope stability in completely decomposed granite residual soils // Revista ingenieria de construccion. Vol. 33. № 1. Santiago, 2018. On-line version ISSN 0718-5073. URL: http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732018000100005.
10. Franzen G., Garin H. Eurocode 7 – an updated framework to ensure reliable geotechnical solutions // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 710. Proceedings of the 18th Nordic Geotechnical Meeting. Article 012035. DOI:10.1088/1755-1315/710/1/012035.