Оценка возможностей и надежности гибких систем защиты от камнепадов

Введение

Хотя отдельный камнепад затрагивает лишь небольшой участок, возможное распространение этой природной опасности угрожает более обширным территориям, особенно вдоль путей сообщения в горных районах, с риском больших разрушений и экономических и социальных потерь. Для защиты от камнепадов с уровнями энергии ударов от 100 до 10 000 кДж эффективны гибкие противокамнепадные барьеры.

Скальный обломок весом 25 т, движущийся со скоростью более 100 км/ч, представляет собой большую опасность. И трудно себе представить, что легкая конструкция гибкого камнеулавливающего ограждения может успешно его удержать.

Как можно доверить такой барьерной системе необходимую защиту людей, транспортных средств и инфраструктуры?

Каждый инженер также сталкивается со следующими вопросами. Подходит ли барьер к моему проекту? Как я узнаю, что мои требования к ограждению верны? Как я могу проверить эффективность того или иного подхода и с кем мне поговорить на данную тему?

Представленная статья дает некоторое представление о том, как оценить возможности и надежность гибкой системы защиты от камнепадов. Эти аспекты важны не только для людей, живущих или путешествующих рядом с такими барьерами, но и для людей, ответственных за выбор подходящей защитной системы. Ведь правильно выбрать и адаптировать противокамнепадный барьер для конкретных условий его использования – очень важная задача.

В этой работе основное внимание уделяется трем стратегиям повышения уверенности в правильности выбора конструкции барьера: необходимым испытаниям по подходящей методике, сертификации стандартных противокамнепадных систем и оценке результатов их адаптации к конкретным условиям. Очевидно, что подробное описание каждой из этих тем было бы очень обширным и потребовало бы отдельного рассмотрения самых разных примеров. Однако в данной статье будет представлен лишь краткий обзор по этим вопросам с конкретными ссылками на соответствующие публикации, большинство из которых легкодоступны.

Полномасштабные испытания

Самые хорошие доказательства правильного функционирования противокамнепадного барьера могут дать его полномасштабные испытания. С момента появления гибких систем защиты от камнепадов это все еще единственный метод, действительно обеспечивающий необходимую безопасность, и он получил широкое признание.

Даффи и Гловер [1] представили обзор процедур испытаний, используемых с начала 1960-х годов. В то время противокамнепадные барьеры испытывались на природных склонах, при этом с верхних частей этих склонов сбрасывались естественные блоки скальных пород. Такой метод обеспечивает наиболее естественные нагрузки на защитное ограждение. Однако он в то же время является рискованным, потому что не учитывает возможность того, что барьер либо вообще не подвергнется удару, либо удар придется на неподходящее место или будет иметь неподходящую энергию.

По этим причинам на следующем этапе стали применять метод испытаний с использованием удара блоком, движение которого ускоряли с помощью какой-либо лесохозяйственной канатной дороги. Это позволяло контролировать ускорение блока, и (при своевременном его освобождении) можно было спрогнозировать воздействие на защитное ограждение.

В конце 1990-х годов была введена стандартная методика испытаний, в соответствии с которой применяется кран для подвешивания блока над барьером, установленным перпендикулярно вертикальной скальной стенке. Затем высвобожденный блок падает и ударяется о барьер в месте, определенном с точностью до нескольких сантиметров. Эта процедура очень точна и воспроизводима.

Тем не менее все еще используются некоторые испытательные площадки, на которых блоки направляются для удара с помощью канатных дорог. На некоторых площадках даже применяются удары горизонтально ускоренно движущегося блока о вертикальный барьер. Хейсс [2] и Фольквайн [3] сравнили результаты «вертикального» и «наклонного» испытаний и пришли к выводу, что, в принципе, обе эти распространенные процедуры могут обеспечить прогнозируемое (требуемое) воздействие на барьер. Характеристики ограждений действительно различались в отношении разных (отдельных) результатов: например, остаточная полезная высота барьера после взаимодействия с блоком была на 10% меньше для вертикально испытанного ограждения, при этом энергопоглощающие элементы последнего нагружались на 50% больше.

Натурные испытания также являются проверенным методом для нестандартных случаев нагрузки, вызываемой, например, падением дерева. При получении результатов тестирования важно в задокументированном виде представить как минимум: четкое описание испытаний, конфигурацию системы конструкций, процедуры измерений, внешний контроль, отчеты об испытаниях.

Еще один важный аспект, на который указывали Фольквайн и др. [4], заключается в том, что любая стандартизация испытаний противокамнепадных барьеров приводит к игнорированию изменчивости в естественных условиях, вызванной различиями в форме блока, вращательных движениях, скорости удара или месте столкновения. В частности, определенные места ударов могут нанести барьеру больший ущерб, чем испытанные стандартные варианты нагрузки, или даже могут привести к тому, что барьер полностью выйдет из строя. Кроме того, как показали исследования Баззи и др. [5], если ожидается падение небольших камней с высокими скоростями ударов, сетка ограждения может пострадать от прокалывающих нагрузок.

Поэтому новейшая тенденция в испытаниях противокамнепадных барьеров возвращает их к первоначальной форме, то есть на естественных склонах (например, [6]).

Стандартизация

Преимущество точных и воспроизводимых процедур испытаний заключается в том, что могут быть определены стандарты тестирования. Например, было оценено, что камнепад с кинетической энергией удара о барьер 3 000 кДж соответствует удару блока массой 9 600 кг при его скорости в этот момент 25 м/с = 90 км/ч. При таком подходе не учитывается, что до 40% кинетической энергии может составлять кинетическая энергия вращения. При этом принимается, что прямолинейно движущийся невращающийся блок имеет самую высокую и наиболее опасную концентрацию энергии к моменту удара о барьер.

На основе выдерживаемой кинетической энергии удара камнеулавливающие ограждения были разделены на следующие классы: 100, 250, 500, 1 000, 2 000, 3 000, 5 000, 8 000, 10 000 кДж. Это позволяет заказчикам четко определить свои потребности для подачи заявки производителю.

Приведенные выше энергетические классы могут быть оценены путем изменений массы блока или скорости его удара. В Швейцарии методика, разработанная Гербером [7], устанавливает стандартную скорость удара на уровне до 25 м/с и использует изменение массы блока. Этот подход был основан на выводе о том, что потенциальную массу скального обломка при реальном камнепаде в полевых условиях можно определить легче, чем его ожидаемую скорость при ударе. Стандартная величина 25 м/с является более или менее максимальной скоростью обломков по наблюдениям Гербера [8] в Альпах. Это, в свою очередь, означает, что при определенной массе блока и максимально возможной скорости удара ожидаемая энергия удара всегда будет оценена с запасом.

Сертификация

Параллельно со стандартизацией процедур испытаний были введены сертификаты, подтверждающие способность барьера выдерживать ту или иную энергию удара.

Первое в своем роде руководство по тестированию противокамнепадных барьеров появилось в Швейцарии [7]. В нем были определены процедуры испытаний, при которых гибкий барьер крепится к вертикальной скальной поверхности, а испытательный блок падает на сетку вертикально. Это позволяло оценивать: способность ограждения выдерживать энергию ударов на максимальном и на эксплуатационном уровнях; нагрузки, действующие на анкерные крепления; тормозной путь; остаточную полезную высоту барьера; работу конструкции при небольших и средних камнепадах; необходимые мероприятия по техническому обслуживанию защитной системы.

Семь лет спустя в Европейском Союзе было принято руководство по техническому одобрению систем защиты от камнепадов ETAG 027 [9] со схемой оценок, аналогичной вышеупомянутому швейцарскому руководству.

Эти стандарты для сертификации все еще действуют и сегодня. Они были точно перенесены в последующий европейский оценочный документ EAD 340059-00-0106 [10], который заменил ETAG 027. Барьер, одобренный в соответствии с этими европейскими нормами, может иметь маркировку CE (например, [4, 11, 12]).

Такая сертификация является огромным преимуществом для общества. Заказчики обычно не знают точно, какие нормы эксплуатации присущи той или иной системе защиты от камнепадов. А сертификат (в данном случае маркировка CE) не только свидетельствует о характеристиках системы, но и подразумевает постоянное отслеживание производителем качества ее работы. Это касается в основном двух аспектов:

• каждый производственный процесс четко описывается, чтобы гарантировать постоянное качество всех компонентов;
• в случае обнаружения какой-либо проблемы с качеством (например, неисправности отдельного компонента в полевых условиях) ее причину можно отследить до того момента (эксплуатации, технического обслуживания, монтажа или производства), когда произошла ошибка, – и тогда менеджеры по качеству могут принять необходимые меры как для текущего случая (заменить или даже отозвать продукт), так и для предотвращения такой ошибки в будущем.

Однако при вышеупомянутой замене ETAG 027 на EAD 340059-00-0106 в 2018 году все-таки были введены некоторые основные изменения: сегодня официальная европейская техническая оценка ETA (European Technical Assessment) только подтверждает, что защитный барьер соответствует основным параметром в соответствии с так называемой декларацией характеристик качества (DoP – declaration of performance). Это имеет следующие последствия для тех, кто заказывает и использует гибкие противокамнепадные системы [4]:

• существует несколько европейских оценочных документов (EAD), в соответствии с которыми может быть сертифицирован продукт (это означает, что если кто-то приобрел оцененный барьер или барьер с маркировкой CE, то необходимо тщательно проверить, подходил ли EAD, лежавший в основе оценки, для использования в данном случае, поскольку простой проверки наличия на продукте действующей маркировки ETA или CE недостаточно);
• если маркировка ETA или CE относится к подходящему EAD, необходимо дополнительно проверить, указал ли производитель в своей декларации характеристик качества все основные показатели, перечисленные в EAD (следует отметить, что теоретически строительная продукция может быть успешно оценена, даже если производитель декларирует только некоторые из существенных характеристик).

В новом ETA в качестве основных характеристик перечислены только полученные результаты испытаний (измеренные параметры). Необходимо также учитывать их применение для запланированных конструкций в конкретном месте, то есть получить ответы на следующие вопросы.

• Как в ETA определяется тормозной путь? Определяется ли он относительно положения на поверхности земли или на сетке? (Это влияет на точный выбор места размещения противокамнепадной системы.)
• Соответствует ли эталонный наклон защитной системы уклону склона, на котором она должна быть установлена? Если нет, то как, например, следует отрегулировать ее прогибы при ударах или тормозной путь?
• Могут ли быть особые случаи нагрузок (например, удары в крайние секции барьера), которые не оценивались?
• Успешно ли барьер удерживает мелкие падающие камни? (Это требует ограниченного размера ячеек сетки. Если максимальный размер отверстий поддерживается небольшим из-за наличия дополнительной второй сетки, известна ли ее удерживающая способность?)

Отметим, что фундамент и анкерные крепления противокамнепадной системы не охватываются ETA. Они должны быть разработаны отдельно на основе соответствующих руководств и стандартов.

Эксплуатационная надежность

Для решения всех этих вопросов некоторые страны (например, Австрия [13], Франция [14], Новая Зеландия [15]) опубликовали рекомендации по использованию сертифицированных противокамнепадных систем. Швейцария выбрала расширенный вариант с предусмотрением оценки барьеров в соответствии с дополнительными критериями [16]: предоставление субсидий Федеральной администрацией Швейцарии требует как оценки практической пригодности камнеулавливающих ограждений, так и анализа пригодности и экономической эффективности всего проекта по защите от камнепадов. В соответствии с этим Бауманн [16] сформулировал общеприменимые требования к обеспечению качества для всего проекта. Эти инструкции также определяют зоны ответственности поставщиков, властей (FOEN), инженеров, строительных компаний, заказчиков и эксплуатирующих организаций.

В дополнение к требованиям для одобрения противокамнепадных систем в соответствии с европейским руководством EOTA [10] результаты тестирования и, соответственно, качество эффективной работы испытанного барьера могут быть проверены с использованием различных критериев согласно работе Фольквайна и др. [4]. Эти инструкции для инженера-проектировщика содержат контрольный список минимально необходимых требований. На практике поставщик предоставляет всю документацию по испытаниям и продукту в независимый контрольный орган для оценки рабочих характеристик барьера. На основе установленных требований оцениваются (с помощью системы баллов) приоритетная производительность, адаптируемость, комплектность, монтируемость (рис. 1, a), критерии технического обслуживания, а также официальная документация. Если рекомендуемые минимальные требования соблюдены, барьер указывается на веб-сайте Федерального управления по охране окружающей среды Швейцарии (англ. FOEN, нем. BAFU) [17]. Это дает заказчикам, планировщикам, проектировщикам, подрядчикам строительных работ и эксплуатирующим организациям доступ к проверенной информации о продукте.

Методические инструкции и примеры расчетов для преобразования усилий в тросах противокамнепадной системы в стандартной ситуации, измеренных в процессе испытаний для сертификации, описаны Бауманном [16]. Поставщики предоставляют сведения об определенных при испытаниях эквивалентных статических нагрузках, которые, соответственно, могут быть сопоставлены с данными для продукции других производителей. Эта информация также является основой для проектирования анкерных креплений и фундаментов камнеулавливающих ограждений. Федеральное управление по охране окружающей среды Швейцарии [16] предоставляет планировщикам и проектировщикам рассчитанные на основе этих данных технические условия (спецификации) для работы с конкретными конструкциями, например для использования дополнительных стоек вместо боковых тросов (рис. 1, б).

Рис. 1. Противокамнепадный барьер, смонтированный в соответствии с четкими и простыми инструкциями (а); модификация крайней секции барьера без боковых анкеров, но с диагональной стойкой в качестве замены (б)

Роли и обязанности в рамках проекта по защите от камнепадов были определены следующим образом. Планировщик проверяет применимость барьера. Инженер-проектировщик должен выполнить определение размеров фундаментов и анкеров на основе соответствующих усилий. Он также отвечает за определение пробных (испытываемых) и контрольных анкеров и за надзор за выполнением строительных работ. Для адаптации барьера к конкретным условиям инженер должен запросить дополнительную информацию и подтверждения у поставщика, если это необходимо. Подрядчик несет ответственность за проведение работ по бурению и инъецированию цементного раствора при устройстве грунтовых анкеров, за документирование хода и результатов этих работ, за проведение испытаний пробных анкеров, а также за профессиональную установку барьера. Заказчик (или его представитель) и/или эксплуатирующая организация отвечают за определение целей и пригодности планируемых защитных мер, требований к уровню защиты анкерных креплений от коррозии, а также за техническое обслуживание и ремонт установленной противокамнепадной системы.

Дополнительные оценки качества и дополнительные практические рекомендации значительно повысили эксплуатационную пригодность камнеулавливающих ограждений, используемых в Швейцарии, по сравнению со странами, в которых отсутствует верифицированная информация о продукте от производителя. И это подтверждают многочисленные успешно реализованные проекты гибких противокамнепадных систем.

Адаптация стандартных барьеров к конкретным условиям

Гибкие системы защиты от камнепадов, как следует из их названия, хорошо подходят для адаптации к различным граничным условиям в разных местах их установки, например для пересечения оврагов или для возведения без боковых анкерных креплений (см. рис. 1, б).

Однако должно быть ясно, что модификация конструкции барьера влияет на его характеристики. Но какие вариации приемлемы? Бауманн [16] предлагает некоторые стандартные решения относительно максимальной длины барьера и допустимых изменений продольного направления. Другие же адаптации должны проверяться в каждом конкретном случае.

Доступные на сегодняшний день численные методы моделирования противокамнепадных барьеров [18] легко допускают такие адаптации конструкций. Однако любое моделирование должно быть подкреплено (проверено) существующими результатами испытаний стандартной системы. После этого можно задокументировать влияние той или иной модификации в конструкциях защитной системы.

На рисунках 2 и 3 представлен следующий пример. Сертифицированный противокамнепадный барьер, изначально предназначенный для выдерживания энергии удара 2 000 кДж, был усилен так, чтобы также противостоять неглубоким оползням без изменений его динамического поведения при воздействии камнепадов.

Рис. 2. Численная модель сертифицированной гибкой системы защиты от камнепадов (цветовая шкала показывает степень использования отдельных компонентов барьера: синий цвет – 0–10%, красный – 90–100%) (a); две объединенных модели, показывающие разные реакции барьера на разные типы нагрузок (камнепад в основном нагружает улавливающую часть ограждения, а неглубокий оползень нагружает тросы, натянутые от стоек вверх по склону, по всей длине барьера) (б)

Рис. 3. Противокамнепадный барьер под воздействием снеговой нагрузки

Очень важно иметь в виду, что при оценке результатов моделирования можно довольно просто создать красивые изображения барьеров и анимационные ролики по их работе. Однако основная задача каждого моделирования заключается в прогнозировании предельной способности барьера выдерживать нагрузки от камнепадов.

Заключительные замечания

Рынок сейчас предлагает широкий выбор надежных гибких систем защиты от камнепадов [4]. Поэтому те, кто собирается использовать такие системы, просто должны решить, какие граничные условия необходимы для каждого конкретного участка. Это предполагает в том числе рассмотрение возможных препятствий на склоне, которые могут помешать бесперебойной работе защитной системы. Другим ключевым аспектом является ожидаемая энергия камнепада. Может быть, лучше не выбирать барьер с совпадением его максимальной «энергоемкости» и ожидаемой энергии камнепада. Вместо этого камнеулавливающее ограждение должно иметь эксплуатационную «энергоемкость», при которой не потребуется слишком большого технического обслуживания из-за камнепадов, типичных для конкретного участка. Кроме того, нужно понимать, находятся ли ожидаемые нагрузки в пределах испытанного диапазона. Что происходит, например, при небольших и быстрых камнепадах [5]? Можно ли ожидать различные случаи нагрузок, как, например, показано на рисунках 2 и 3?

Еще одна интересная тема – долговечность (срок службы) барьера, особенно в отношении коррозии. Легко могут пообещать пятьдесят лет или больше. Вопрос в том, будет ли производитель так долго заниматься этим же бизнесом, чтобы взять на себя ответственность в случае несвоевременного развития коррозии?

Если пользователь критически относится к барьерам и не просто принимает каждое предложение производителей как идеальное решение для любых конкретных условий (мест установки), он может быть уверен, что надежный и правильно адаптированный барьер обезопасит его инфраструктуру и находящихся там людей на долгие годы.

И последнее, но не менее важное: хотелось бы надеяться, что рыночная конкуренция не только благоприятствует возможности приобрести наименее дорогие противокамнепадные системы, но и способствует повышению их качества.

Источник для перевода

Volkwein A., Fulde M., Krieger Hauksson I. Trustworthiness of flexible rockfall protection systems // Geosciences. 2021. Vol. 11. № 197. DOI: https://doi.org/10.3390/ geosciences11050197. URL: https://www.mdpi.com/2076-3263/11/5/197.

Список литературы, использованной авторами переведенной статьи

1. Duffy J., Glover J. A brief history of rockfall barrier testing // Proceedings of the 6th InterdisciplinaryWorkshop on Rockfall Protection “RocExs 2017”, Barcelona, Spain, 22–24 May 2017.
2. Heiss C. Uberlegungen zur Sicherung von Personen und Infrastrukturbauwerken Gegen Steinschlag imAlpinen Bereich Unter Besonderer Berucksichtigung Flexibler Steinschlagschutzsysteme – Modellierungflexibler Steinschlagschutzsysteme im Labormassstab zur Beurteilung Nichtgenormter Lastfalle: PhD thesis. Leoben, Austria: Montanuniversitat Leoben, 2017.
3. Volkwein A. Vergleich der Zulassung von Schutznetzen gegen Steinschlag nach CH- und EU-Richtlinie. Bern, Switzerland: FAN Agenda; Fachleute Naturgefahren Schweiz, 2012. P. 15–18.
4. Volkwein A., Gerber W., Klette J., Spescha G. Review of approval of flexible rockfall protection systems according to ETAG 027 // Geosciences. 2019. Vol. 9. № 49.
5. Buzzi O., Leonarduzzi E., Krummenacher B., Volkwein A., Giacomini A. Performance of high strength rock fall meshes: effect of block size and mesh geometry. RMRE, 2015. Vol. 48. P. 1221–1231.
6. Wendeler C., Lanter A., Lu G., Caviezel A., Ringenbach A., Bartelt P. New rockfall testing method of flexible rockfall // Proceedings of the 14th International Congress on Rock Mechanics and Rock Engineering (ISRM 2019), Foz do Iguassu, Brazil, 13–18 September 2019.
7. Gerber W. Guideline for the approval of rockfall protection kits. Ittigen, Switzerland: Federal Office for the Environment (FOEN), 2001.
8. Gerber W. Geschwindigkeit und Energie aus der Analyse von Steinschlagspuren. OIAT, 2015. Vol. 160. P. 171–175.
9. Guideline for European Technical Approval of falling rock protection kits: ETAG 027, edition 2008, amended 2013. Brussels, Belgium: EOTA, 2008.
10. EAD 340059-00-0106. Falling rock protection kits. EOTA, 2018. URL: eota.eu/handlers/download.ashx?filename=ead-in-ojeu%2fead-340059-00-0106-ojeu2018.pdf.
11. Kohlmaier G. CE marking of falling rock protection kits based on the Construction Products Regulation (EU) № 305/2011 // Proceedings of the 6th Interdisciplinary Workshop on Rockfall Protection “RocExs 2017”, Barcelona, Spain, 22–24 May 2017.
12. Roduner A. Significance and advantage of EAD and CE Marking of geohazard products // GeoResources. 2019. Vol. 3.
13. ONR 24810. Technischer Steinschlagschutz – Begriffe, Einwirkungen, Bemessung und konstruktive Durchbildung, Uberwachung und Instandhaltungю Vienna, Austria: Austrian Standards International, 2013.
14. Cerema. Dynamic rockfall barriers. Paris, France: Setra, 2014.
15. Rockfall – design considerations for passive protection structures. MBIE, 2016. URL: building.govt.nz/assets/Uploads/building-code-compliance/b-stability/b1-structure/rockfall-design-consideration/rockfall-designpassive-protection-structures.pdf.
16. Baumann R. Grundlagen zur Qualitatsbeurteilung von Steinschlagschutznetzen und Deren Fundation. Federal Office for the Environment – FOEN, Umwelt-Wissen UW-1805-D, 2018. URL: bafu.admin.ch/uw-1805-d.
17. BAFU. 2019. URL: bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/naturgefahren/fachinformationen/umgang-mitnaturgefahren/naturgefahren--massnahmen/naturgefahren--technische-massnahmen/naturgefahren--typenpruefung.html.
18. Volkwein A. Providing perfect numerical simulations of flexible rockfall protection systems // Proceedings of the 9th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering (NUMGE 2018), Porto, Portugal, 25–27 June 2018. P. 885–892.