Камне- и снегозащита

Изменчивый климат, антропогенное воздействие, сейсмические процессы, протекающие в недрах Земли, могут повлечь опасные последствия в форме схода обломков породы и земляных масс [рис.1].

Камнепады затрудняют движение в горных районах Британской Колумбии, Канада
а)
Разрушительный камнепад в результате землетрясения, Новая Зеландия
б)

Каньон Clear Creek, Штат Колорадо, США
в)
Камнепад в Тайланде
г)

Рисунок 1. Последствия неконтролируемого камнепада
а) Камнепады затрудняют движение в горных районах Британской Колумбии, Канада;
б) Разрушительный камнепад в результате землетрясения, Новая Зеландия;
в) Каньон Clear Creek, Штат Колорадо, США;
г) Камнепад в Тайланде.

Система защиты от камнепадов является ключевым элементом при проектировании новых и обслуживании существующих участков автомобильных, железных дорог и других объектов, расположенных в горных районах. Наличие данных систем имеет прямое отношение к безопасной эксплуатации существующей инфраструктуры [10].

Понятие камнепада. Исследуемые параметры

Камнепад - обрушение крупных каменных глыб, обломков пород и просто свободное падение камней на горных склонах под действием силы тяжести. Причиной образования камнепадных процессов является отделение грунтовых масс от материнской породы в результате выветривания, землетрясения, размыва поверхностными и подземными водами, техногенного воздействия и т.д.

Одними из основных исследуемых параметров при изучении камнепадных процессов и проектировании сооружений инженерной защиты территорий являются траектория падения обломков породы и энергия воздействия камня на предполагаемую защитную конструкцию.

Вероятная траектория камнепада описывается следующими параметрами исследуемого склона и неустойчивых обломков породы:

  • средний диаметр d обломков;
  • объем и собственный вес неустойчивого массива;
  • угол наклона откоса (склона);
  • конфигурация (схема поперечного профиля) откоса (склона);
  • физико-механические характеристики грунта.

Энергия воздействия камня на сооружение определяется экспериментально и зависит от следующих факторов:

  1. объем обломков;
  2. их вес;
  3. скорость падения камней.

При этом ударная сила Py обуславливается видом применяемой противообвальной конструкции. Так, к примеру, при использовании амортизирующей отсыпки Py уменьшается с увеличением толщины сооружения.

При нахождении вышеперечисленных параметров важную роль играет конфигурация (схема поперечного сечения) склона, от которой зависит расчетная скорость движения обломков грунта.

Традиционные системы защиты территорий от камнепадов

Действующие нормы РФ трактуют следующую классификацию противообвальных сооружений:

  • удерживающие сооружения, предусматриваемые для предотвращения сдвига, обрушения, обвалов и вывалов грунтов при невозможности или экономической нецелесообразности изменения рельефа склона (откоса). К ним относятся:
  • контрфорсы - отдельные опоры, врезанные в устойчивые слои грунта, для подпирания отдельных скальных массивов;
  • опояски - массивные сооружения для поддержания неустойчивых откосов;
  • облицовочные стены - для предохранения грунтов от выветривания и осыпаний. К ним можно отнести защитные покрытия из торкрет-бетона, набрызг-бетона и аэроцема (вспененного цементно-песчаного раствора);
  • анкерные крепления - в качестве самостоятельного удерживающего сооружения в виде крепления отдельных скальных блоков к прочному массиву на скальных склонах (откосах).
  • улавливающие сооружения и устройства (стены, габионы, сетки, валы, траншеи, надолбы),  предусматриваемые для защиты объектов от воздействия осыпей, вывалов, падения отдельных скальных обломков, если устройство удерживающих сооружений или предупреждение камнепада путем удаления неустойчивых массивов невозможно или экономически нецелесообразно.
  • противообвальные галереи.

Последние до недавнего времени считались необходимым и единственным техническим решением, направленным на защиту обвальных участков железнодорожных путей, автодорог федерального значения, пешеходных маршрутов. И действительно, галереи из сборного, монолитного железобетона и штучных материалов во всем мире применяются как надежное инженерное сооружение [рис.2].

Галерея на Кругобайкальской железной дороге, Россия
а)
Галерея на Кругобайкальской железной дороге, Россия
б)

Противообвальная галерея, США
в)
DudleyWard Tunnel, Гибралтар
г)

Рисунок 2. Противообвальные галереи в мире
а) Галерея на Кругобайкальской железной дороге, Россия;
б) Галерея на Кругобайкальской железной дороге, Россия;
в) Противообвальная галерея, США;
г) DudleyWard Tunnel, Гибралтар.

К достоинствам описанного выше технического решения можно отнести следующие характеристики:

  • + широкая область применения (расчетная энергия удара 200-3000 кДж),
  • + возможность устройства амортизирующей отсыпки, позволяет смягчить эффект от удара.

В то же время, у противообвальных галерей имеется ряд недостатков:

  • падающие обломки с энергией воздействия 5000-8000 кДж разрушают железобетонные конструкции галерей;
  • огромные трудозатраты при возведении капитальных конструкций на склонах;
  • вследствие трудозатрат высокая стоимость строительства;
  • капитальное строительство влечет за собой вмешательство в сложившуюся экологическую ситуацию на склоне.

Гибкие противокамнепадные барьеры

Последние разработки в области защиты от камнепадов с помощью гибких улавливающих систем (гибких противокамнепадных барьеров) [рис.3] позволяют обеспечить экономичную защиту даже на тех участках, где ранее это считалось невозможным либо слишком затратным.

Рисунок 3. Гибкие противокамнепадные барьеры

Такое техническое решение имеет широкую область применения [рис.4], что делает его альтернативой традиционным системам защиты склонов.

Рисунок 4. Области применения систем защиты от камнепадов. Расчетная энергия удара в кДж

Барьеры способны поглощать удары с энергией до 8000 кДж, что сопоставимо спадением блока весом 20 метрических тонн на скорости более 100 км/ч.

Поглощающие характеристики барьеров получены путем натурных испытаний, которые проведены при наиболее строгих условиях вертикального падения, в соответствии с Европейским нормативом ETAG 027 и Швейцарскими нормативами по типовым испытаниям противокамнепадных барьеров.

В дополнение к описанным выше достоинствам применения гибких решений для защиты территорий можно отнести:

  • + меньший объем работ, высокая скорость монтажа конструкций;
  • + легковесность;
  • + экономичность - отдельные элементы системы идеально согласованы между собой, что сводит к минимуму количество расходных материалов;
  • + экологичность - в отличие от массивных конструкций, гибкие барьеры не нарушают ландшафт.

Особенности расчета и опыт применения противокамнепадных барьеров

Расчет вероятной траектории камнепада

Расчет траектории падения обломков выполняется для определения расчетной скорости камня и выбора параметров защитного сооружения. Моделирование камнепада проводится в программном комплексе RockFall (Германия) на основании естественной геометрии склона (поперечный разрез) и предполагаемого размера и объема обломков породы.

Рисунок 5. Графические результаты расчета траектории падения обломков (слева) и максимальной энергии удара (справа) в программном комплексе RockFall

Проект «Pontis», Швейцария.

Горная федеральная автодорога на юго-западе Швейцарии, кантон Вале, в окрестности тоннеля «Tunnel de Pontis» [рис. 5] каждые 10 лет претерпевала камнепадные воздействия с энергией падающих камней до 2000 кДж. При этом обломки размером 1,0-2,5 м3 падали на трассу с высоты более 100 м.

Рисунок 6. Ситуация в окрестности «Tunnel de Pontis», Швейцария (слева) и поперечный профиль исследованного склона с нанесенной траекторией падения обломков (справа)

В целях стабилизации ситуации на склоне были рассмотрены три технических решения и рассчитана сметная стоимость возведения инженерных сооружений [табл. 1]:

Таблица 1. Технико-экономические показатели рассмотренных технических решений
№ п\п Техническое решение Максимальная поглощаемая сооружением энергия воздействия камня, кДж Стоимость возведения инженерных сооружений, млн. CHF/ млн. руб.
1 Реконструкция существующего тоннеля [рис. 7] с целью обогнуть нестабильный участок склона - 8,0 / 585
2 Возведение железобетонной противообвальной галереи на протяжении опасного участка автотрассы 2000 3,5 / 255
3 Устройство гибкой галереи противокамнепадных барьеров над опасным участком автотрассы 8000 1,1 / 80

Рисунок 7. План реконструкции существующего тоннеля «Tunnel de Pontis», Швейцария

Правильно запроектированные барьеры образуют эффективную, многофункциональную защитную систему. Компанией Geobrugg AG совместно с Институтом Леса, снега и ландшафтов (WSL, Швейцария) разработана компьютерная программа FARO, позволяющая рассчитать требуемые параметры барьеров в зависимости от характеристик кампепадного процесса и рельефа.

Рисунок 8. Пространственное конечно-элементное моделирование противокамнепадных барьеров в программном комплексе FARO

При расчете барьеров учтена снеговая нагрузка (4 кН/м2) 1000 м над уровнем моря:

  • 100% снеговая нагрузка [рис. 7, слева];
  • 30% от максимальной снеговой нагрузки + воздействие камня (2000кДж) [рис.7, справа].

Рисунок 9. Гибкая противокамнепадная галерея
а), б) Заключительная стадия монтажа конструкций;
в) Гибкая противокамнепадная галерея протяженностью 60 м (общий вид)

Монтаж галереи гибких противокамнепадных барьеров [рис. 9] был выполнен без перекрытия автодороги.

Натурные испытания противокамнепадного барьера для энергии удара до 8000 кДж.

В октябре 2011г. были проведены испытания барьераGBE-8000A вертикальным падением[рис.8] на полигоне в г. Валенштадт (Швейцария). В испытании на максимальный энергетический уровень (т.н. MEL-тест)  барьер остановил бетонный блок массой 20 тонн, летящий в свободном падении с высоты 43 м на скорости 103 км/ч, что соответствует энергии 8 000 кДж. Максимальное отклонение конструкции составило 8,5 м.

В сравнении с противообвальной дамбой для энергии 8000 кДж, барьер GBE-8000A требует значительно меньшего количества материала. Для сооружения бермы и отсыпки погонного метра дамбы требуется перемещение около 100 тонн материала. Вес барьера GBE-8000A составляет всего около 1 тонны на погонный метр.

Рисунок 10. Испытания барьера GBE-8000A вертикальным падением на полигоне в г. Валенштадт (Швейцария)

При проектировании инженерной защиты автодороги от камнепадных процессов в окрестности «Tunnel de Pontis» (Швейцария) возведение галереи противокамнепадных барьеров оказалось в 8 раз дешевле реконструкции действующего тоннеля.

На сегодняшний день существуют сертифицированные по европейским стандартам типы барьеров, способные выдержать падение обломковмассой 20 тонн с высоты 43 м с расчетной скоростью 103 км/ч, что соответствует энергии удара 8 000 кДж.

Таким образом, гибкие противокамнепадные барьеры на сегодняшний день - экономичная и экологичная альтернатива массивным железобетонным конструкциям, отвечающая требованиям наиболее строгих Европейских норм и стандартов.

Малая популярность гибких решений защиты от камнепадов в Российской Федерации обусловлена отсутствием глубоко проработанной нормативной базы. На кафедре Оснований и фундаментов КубГАУ в сотрудничестве с ООО «ГЕОТЭК» (г. Краснодар) и компанией Geobrugg AG (Швейцария) проводятся исследования в области создания современных методов конструирования и расчета противокамнепадных инженерных сооружений для защиты территорий и объектов инфраструктуры.