Укрепление, защита и озеленение «лысых» склонов – и все одновременно!

Введение

Создание и расширение объектов инфраструктуры, например автомобильных и железных дорог, часто требует подрезки склонов или создания высоких насыпей как в рыхлом грунте, так и в скальных породах (рис. 1). При небольшом уклоне и отсутствии опасности смещения грунта для защиты от эрозии, как правило, бывает достаточно простых средств, таких как противоэрозионные маты. Однако они обладают низкой прочностью и быстро теряют свою форму при работе на крутых и/или неустойчивых откосах и склонах (рис. 2).

Рис. 1. Подрезанный склон у спортивной площадки

Рис. 2. Сползание насыпи (с уклоном около 25 град.), закрепленной геотекстильным материалом – противоэрозионным матом для озеленения без нагельного крепления

Использование противоэрозионных матов при озеленении

Поскольку на поверхности откосов при создании насыпей или подрезке склонов, как правило, недостаточно естественных запасов семян, корней, почвы и органических остатков для роста трав, на них должен искусственно воссоздаваться и поддерживаться растительный покров для обеспечения их долгосрочного укрепления [1, 4, 5, 7]. Помимо посева трав с самого начала должна минимизироваться первичная и вторичная (рис. 3) внешняя эрозия. Используемые для этого противоэрозионные маты должны уменьшать воздействия от ударов капель и удерживать на месте частицы почвы при стекании воды [4, 5].

Рис. 3. Каналы вторичной эрозии на откосе, образованные потоками стекающей воды

Существуют различные геотекстильные материалы, в том числе противоэрозионные маты, используемые для сохранения или восстановления озеленения откосов и склонов, сложенных рыхлыми или выветрелыми скальными грунтами [8]. Такие материалы можно объединить в два основных типа – синтетические (например, полипропиленовые) и природные органические (например, из джутовых или кокосовых волокон).

Природные органические материалы можно использовать для более пологих склонов. Их преимущество заключается в том, что они сохраняют в себе часть воды после выпадения атмосферных осадков или полива и выделяют питательные вещества, когда разлагаются, тем самым способствуя росту растений.

На более крутых склонах преимуществами обладают геосинтетические материалы (из переплетающихся полимерных нитей). Они имеют малый вес и являются более долговечными по сравнению с природными органическими.

Гибкие системы для укрепления склонов на основе плетеных стальных сеток

В настоящее время для укрепления откосов и склонов, сложенных рыхлыми и выветрелыми скальными грунтами, широко используются гибкие системы из противоэрозионных средств и сеток из высокопрочной стальной проволоки. Они чрезвычайно эффективны при правильном применении (рис. 4).

Рис. 4. Склон, покрытый противоэрозионным матом TECMAT® и плетеной сеткой из высокопрочной стальной проволоки TECCO® G65/3 с нагельным креплением

Однако отсутствие должного подхода к таким вопросам, как стандартизация и сертификация, а также отсутствие четких критериев по оценке эффективности систем инженерной защиты приводят к тому, что проверка их работоспособности попросту не проводится. В результате производители предлагают и/или устанавливают системы, которые не подходят к условиям местности или компоненты которых не соответствуют друг другу, что может иметь фатальные последствия, связанные с разрушением материала и критическими деформациями.

При укреплении откосов и склонов должна быть известна несущая способность как системы в целом, так и отдельных ее элементов (противоэрозионного мата, сетки, ее ячеек, креплений), чтобы можно было использовать моделирование и расчеты в специальных программах для осуществления необходимых проверок на деформации и смещения [2, 6].

Расчеты для предотвращения смещений грунта на откосах и склонах

Расчеты по поверхностным смещениям можно проводить в программно-расчетном комплексе RUVOLUM^®. Он универсален и может использоваться для определения параметров систем инженерной защиты откосов и склонов, сложенных с поверхности рыхлыми или выветрелыми скальными грунтами. В основе расчетов лежит несущая способность грунта, что было подтверждено многократными полномасштабными испытаниями.

Работа с использованием программы RUVOLUM^® описана в докладах [6, 7]. Она включает изучение поверхностных смещений вниз по склону (рис. 5), а также исследование локальных смещений между отдельными нагелями (рис. 6). Дополнительно может учитываться влияние избыточного гидростатического давления, гидродинамического давления и сейсмических сил. В качестве онлайн-инструмента можно использовать программное обеспечение, предлагаемое на сайте Geobrugg (www.geobrugg.com).

Рис. 5. Пример модели для изучения поверхностных смещений вниз по склону в программе RUVOLUM®

Рис. 6. Пример модели для изучения локальных смещений между отдельными нагелями в программе RUVOLUM®

Оценка работы противоэрозионного мата

В 2000 году компанией Geobrugg AG были проведены первые тесты, а в 2003 году – расширенные испытания для оценки совместной работы производимых ею противоэрозионных матов (геоматов) и плетеных сеток из высокопрочной стальной проволоки для более крутых склонов (в кооперации с инженерно-технической фирмой Rьegge+Flum AG).

На основе полученных результатов были сделаны выводы о том, что протестированные противоэрозионные маты обладают следующими характеристиками:

• хорошее прилегание к подстилающему грунту;
• высокая проницаемость для семян при посеве и их хорошее удерживание на месте в дальнейшем;
• легкость (низкая плотность даже при попадании воды);
• прочное сцепление с подстилающим грунтом (низкий риск соскальзывания);
• хорошее удерживание частиц почвы, семян, корней и органических остатков;
• соответствие по цвету грунту, обеспечивающее естественный внешний вид и меньшее нагревание на солнце.

В 2000 году на трех смежных участках склона в кантоне Вале на юго-западе Швейцарии были испытаны различные противоэрозионные маты (рис. 7):

• участок I – трехмерный очень плотный трехслойный геомат из черного полипропилена;
• участок II – трехмерный гофрированный геомат из черного полипропилена с трехмерной структурой;
• участок III – двумерная (плоская) геосетка из черного полипропилена.

Рис. 7. Три смежных участка для испытаний геоматов (кантон Вале, Швейцария)

Склон, на котором располагалась испытательная площадка, имел юго-западную экспозицию. Для места его расположения были характерны экстремальные смены сухих и влажных условий. Озеленение участков, покрытых испытываемыми геоматами, проводили путем сухого посева. Наиболее успешное озеленение было достигнуто на участке II. Удерживающие свойства двумерного геомата на участке III оказались, видимо, недостаточными для сохранения на месте частиц почвы и семян. Плотный геомат на участке I, видимо, сильно нагревался, что привело к быстрому высыханию и непрорастанию значительной доли семян.

В 2003 году в швейцарском городе Бишофсцелль были проведены полномасштабные испытания трехмерных геоматов с учетом полученных ранее результатов (рис. 8). Наилучшим образом показал себя геомат толщиной 18 мм, изготовленный из экструдированных моножильных полипропиленовых волокон, с поверхностной плотностью 600 г/кв. м и долей пустот более 95%.

Рис. 8. Испытания геоматов и других материалов (г. Бишофсцелль, Швейцария).  Для контроля – участки без противоэрозионной защиты. Внизу – контрольные рамки площадью 1 кв. м, использованные во время посева

Швейцарская компания Verdyol проращивала семена трав на испытательной площадке с наклоном поверхности 30–45 град. путем гидропосева. Площадка была разбита на участки, покрытые геоматами, другими противоэрозионными материалами и не покрытые ничем (контрольные). На эти участки с помощью гидросеялки равномерно нанесли жидкую смесь из семян, мульчи (смеси на основе полых целлюлозных волокон длиной менее 4 мм, улучшающей свойства почвы) и закрепителя (связующего материала на основе водорослей для связывания между собой компонентов, заполняющих полости между волокнами геомата).

Примерно через 4 недели после посева на испытательной площадке прошел сильный ливень, что вызвало на незащищенных участках склона поверхностные оползни. Еще через 6 недель исследования показали, что на контрольной площадке (без противоэрозионного покрытия) количество семян уменьшилось примерно в 10 раз и, соответственно, там была отмечена низкая прорастаемость. Площадку же с геоматом более чем на 90% покрывал растительный слой (рис. 9).

Рис. 9. Часть испытательной площадки примерно через 10 недель после гидропосева. Слева – поверхность без противоэрозионного мата (прорастание семян – менее чем на 10%). Справа – поверхность с геоматом, где прорастаемость превысила 90%

Лучше всего показал себя геомат TECMAT^® толщиной 18 мм, изготовленный из экструдированных моножильных волокон (хаотично петлеобразно переплетающихся между собой), с поверхностной плотностью 600 г/кв. м и долей пустот более 95% (рис. 10). В 2004 году этот продукт был выпущен на рынок. Его цвет – «зеленый карри».

Рис. 10. Геомат TECMAT® и стальная проволочная сетка TECCO® G65/3 в зоне прикрепления к подстилающему грунту с помощью нагеля

Примеры использования предлагаемой системы

На территории города Мирафлорес (Панама) с использованием системы TECCO^® было выполнено укрепление склона с очень неровной поверхностью, сложенного разнокалиберными обломочными породами. Геомат TECMAT® в сочетании со стальной сеткой TECCO^® G65/3 (с диаметром окружности, вписанной в ромбовидную ячейку, 65 мм и толщиной проволоки 3 мм) удалось достаточно хорошо уложить на этом склоне со сложным рельефом с помощью крепления нагелями, хотя складки материала в некоторых местах, заметные на рисунке 11, говорят о том, что эти места не идеально повторяют форму поверхности склона. На том же рисунке видно, что на соседних участках, не покрытых геоматом, присутствует пышная растительность. На укрепленном противоэрозионным матом участке уже тоже появились всходы.

Рис. 11. Геомат TECMAT® в сочетании со стальной проволочной сеткой TECCO® G65/3 удалось достаточно хорошо уложить на склоне со сложным рельефом, сложенном разнокалиберными обломочными породами, с помощью крепления нагелями (г. Мирафлорес, Панама)

В городе Ремшайд (Германия) требовалась защита участка склона, обнажившегося после сползания обветренных пород. Для этого также была использована система из геомата TECMAT® и стальной сетки TECCO^® G65/3 с нагельным креплением. На рисунке 12 видно, что поверхность склона достаточно ровная, хотя из-за трудностей с прикреплением геомата к твердой основе на нем в некоторых местах имеются небольшие сдвиги. Благодаря хорошим условиям для прорастания семян укрепленная поверхность скоро покроется растительным покровом.

Рис. 12. Склон, обнажившийся после сползания обветренных пород, был защищен системой из геомата TECMAT® и стальной проволочной сетки TECCO® G65/3 с нагельным креплением (г. Ремшайд, Германия)

В коммуне Дорндорф (Германия) с помощью той же системы был укреплен склон с достаточно ровной поверхностью, сложенный рыхлыми грунтами (рис. 13). Было обеспечено достаточно плотное прилегание противоэрозионного мата TECMAT® к поверхности грунта лишь с малой долей пустот под ним. В зонах оголовков нагелей были вырыты небольшие углубления для надежного прикрепления к нагелям плетеной стальной проволочной сетки TECCO^® G65/3.

Рис. 13. Ровная поверхность склона, сложенного рыхлыми грунтами, покрытая плотно прилегающим геоматом TECMAT® и плетеной стальной проволочной сеткой TECCO® G65/3 с нагельным креплением

Приведенные примеры показывают, что использование комбинации противоэрозионных матов и плетеных сеток из высокопрочной стальной проволоки является вполне выполнимым и оправданным. Было обнаружено, что на склонах с неровной поверхностью геоматы не всегда плотно прилегают к подстилающим грунтам. Поэтому при гидропосеве семян трав очень важно, чтобы внутрь геомата было инъецировано достаточное количество мульчи (с длиной волокон менее 4 мм).

В зависимости от характеристик подстилающего грунта требуются разные виды и параметры системы прикрепления к нему геомата и сетки. Но в любом случае мат должен подходить для последующего гидропосева.

Усиление структуры геотекстильного материала

Было очевидно, что рассматриваемую систему защиты и укрепления склона можно оптимизировать с помощью соответствующих комбинаций противоэрозионных матов и плетеных сеток из высокопрочной стальной проволоки, чтобы была возможность одновременно надежно прикреплять их к подстилающему грунту и предотвращать их соскальзывание со склона.

Предварительные испытания стандартного геомата были проведены в 2012 году при его одновременном использовании с плетеной стальной сеткой DELTAX^® G80/2 (с диаметром вписанной в ромбовидную ячейку окружности 80 мм, толщиной проволоки 2 мм и пределом прочности сетки на растяжение в продольном направлении 53 кН/кв. м). Такая сетка часто используется лишь как драпировка (без нагельного прикрепления к грунту) даже на крутых склонах, на которых, однако, присутствуют лишь небольшие камни. Сам по себе геомат также может удерживать лишь небольшие камни. При необходимости такие системы используются с нагельным прикреплением к грунту.

Как указывалось выше, поскольку противоэрозионные маты не всегда могут выдерживать нагрузки без повреждений (их отдельные участки могут смещаться по направлению падения склона), необходимо их структурно усиливать с помощью плетеных сеток из высокопрочной стальной проволоки. Как показали испытания, для этого хорошо подходит сетка TECCO^® G65/3 (с диаметром вписанной в ромбовидную ячейку окружности 65 мм, толщиной проволоки 3 мм, пределом прочности сетки на растяжение/разрыв в продольном направлении 140–150 кН/кв. м и сопротивлением продавливанию пластиной 33 х 20 см, равным 170–180 кН). Система из такой сетки и геомата TECMAT® получила название TECCO^® GREEN (рис. 14).

Также очень важен правильный выбор параметров волокон мульчи, поскольку, например, длинные волокна не способны достаточно хорошо проникать в пустоты внутри геоматов (см. рис. 14).

Рис. 14. Система TECCO® GREEN после гидропосева

Выводы

В целом предпочтение следует отдавать экологически чистым биоразлагаемым противоэрозионным матам. Однако есть пределы крутизны откосов склонов, при которой их можно использовать. Так что для более крутых поверхностей определенные преимущества имеют трехмерные синтетические геоматы, изготовленные, например, из полипропилена. Они меньше весят, обладают хорошими удерживающими свойствами, совместимы с подстилающим грунтом по цвету, за счет чего меньше нагреваются на солнце, обеспечивают превосходные результаты при озеленении и почти незаметны.

Конструктивное укрепление геоматов сетками из высокопрочной стальной проволоки расширяет область их применения за счет увеличения несущей способности. Так, неустойчивая поверхностная часть склона может быть стабилизирована на глубину до 2 м плетеными стальными сетками с минимальной устойчивостью к продавливанию 180 кН.

Системы из противоэрозионных матов, гибких стальных сеток и элементов их прикрепления к подстилающим грунтам могут быть спроектированы в программно-расчетном комплексе RUVOLUM^®. По идее, проблемы защиты и стабилизации склонов и откосов с общей неустойчивостью также можно решать с использованием предлагаемых систем, если правильно производить расчеты.

Кроме того, можно комбинировать свойства синтетических противоэрозионных матов и геоматов из природных органических волокон – например, усиливать синтетические геоматы кокосовыми, джутовыми, древесными, бумажными или другими волокнами.

В заключение хотелось бы подчеркнуть, что одновременное укрепление и озеленение неустойчивых склонов и откосов – очень сложная проблема, которая требует дальнейшего изучения и тщательных испытаний.

Список литературы

1. Bosshard A., Mayer P., Mosimann A. Leitfaden fьr Naturgemдsse Begrьnungen in der Schweiz. Ц+L Цkologie und Landschaft GmbH, 2013.
2. Flum D., Strolz M., Roduner A. Grossfeldversuche mit flexiblen Bцschungsstabilisierungssystemen // Kolloquium «Bauen in Boden und Fels». Technische Akademie Esslingen, 2014. Beitrag fьr  9.
3. Rьegger R. Die Hauptaufgaben der Geotextilien: theoretische Ansдtze und Dimensionierungskriterien. Schweizer Ingenieur und Architekt. 1986. Band 104, Heft 40.
4. Rьegger R., Eberle T. Stьtzkonstruktionen aus bewehrter Erde: Richtlinie fьr Planung, Bemessung, Ausschreibung, Ausfьhrung, Ьberwachung und Unterhalt. Aarau: Departement Bau, Verkehr Umwelt, Abt. Tiefbau, 2006.
5. Rьegger R., Flum D. Anforderungen an flexible Bцschungsstabilisierungssysteme bei der Anwendung in Boden und Fels. Salzburg: Цsterreichische Geologische Gesellschaft, 2006.
6. Rьegger R., Flum D., Haller B. Hochfeste Geflechte aus Stahldraht fьr die Oberflдchensicherung in Kombination mit Vernagelungen und Verankerungen (Ausfьhrliche Bemessungshinweise) // Kolloquium «Bauen in Boden und Fels». Technische Akademie Esslingen, 2002. Beitrag fьr 2.
7. Rьegger R., Weingart K., Bickel M. Flexible Oberflдchensicherungssysteme aus hochfesten Drahtgeflechten in Kombination mit Boden- und Felsnдgeln, 3 Fallbeispiele // Kolloquium «Bauen in Boden und Fels». Technische Akademie Esslingen, 2004. Beitrag fьr 3.
8. SN-Norm 640 550. Geotextilien und die Prьfvorschriften nach VSS/SVG. Geotextilhandbuch, 2003.