Баринов А.Ю. // ГеоРиск, 1/2019
Начиная с 2013 года в России эксплуатируются более 30 гибких противоселевых барьеров разработки швейцарской компании Gеоbrugg АG. Специалисты компании работают над проектом на всех этапах – от проведения изысканий и планирования защитных мероприятий до мониторинга и сервисного обслуживания. За это время накоплен большой массив информации об особенностях проектирования, монтажа и эксплуатации этих конструкций непосредственно в России. В статье по пунктам резюмируются критически важные моменты, которые следует учесть при планировании противоселевых мероприятий с применением гибких противоселевых барьеров.
Введение
Гибкие противоселевые барьеры – сравнительно новая технология компании Gеоbrugg, берущая своё начало из опыта эксплуатации противокамнепадных барьеров в ложбинах на склонах. Мировой опыт применения показал, что барьер является самым быстрым и экономически эффективным средством для защиты населения и инфраструктуры в горных районах. Применяемые для их производства сеть из высокопрочной ( 1770 Н/мм2) проволоки, специальные канаты плетения GОBINEX, амортизационные и другие уникальные элементы позволили применить «лёгкие» стальные конструкции в тех местах, где ранее невозможно было обойтись без массивных железобетонных дамб. Многочисленные полномасштабные испытания на площадках независимых организаций и составленная на их основе расчётная модель для проектировщиков (DЕBFLOW) позволили добиться 100% надёжности противоселевых барьеров Gеоbrugg в области защиты населения, инфраструктуры и, в конечном счёте, инвестиций в объекты в горах.
Рисунок 1. Гибкий противоселевой барьер Gеоbrugg АG в Сочи.
Тем не менее, инженерная защита в целом и, мероприятия по защите с помощью гибких противоселевых барьеров в частности, являют сложными задачами, для решения которых следует привлекать профессиональных инженеров (консультантов) на всех этапах работ – от составления технико-экономического обоснования, до обслуживания в процессе эксплуатации. В силу ряда причин, это выполняется не всегда, ошибка на любом из этапов может существенно снизить работоспособность системы в целом. Ниже рассматриваются основные этапы работы над проектом и наиболее часто возникающие сложности.
1. Этап планирования противоселевых мероприятий
1.1 Исходные данные
Практика показывает, что в составе изысканий достаточно редко встречаются действительно качественные работы по описанию селевых процессов и явлений. Обычно приводятся общие слова о селеопасности тех или иных водотоков, а также расчёты параметров селей по ВСН 03-76 или другим формулам. Практически все формулы расчёта параметров селевого потока так или иначе опираются на эмпирические коэффициенты. Поэтому правильность расчётов должна подтверждаться материалами изысканий.
Наиболее часто встречающиеся проблемы:
А) Несоответствие расчётных характеристик селя реально зафиксированным параметрам. В качестве яркой иллюстрации можно привести реальные случаи, когда в одном и том же отчёте сначала приводится расчётная высота селевого потока 1,5 метра для случая 1%-обеспеченности, а уже через несколько страниц приводится фотография человека на фоне селевого вала в этом же ручье, высотой более 2 метров и ссылка на то, что за последние несколько лет таких селей в этой долине было уже два.
Б) Чрезмерное завышение параметров селевого потока. Это – «профессиональная болезнь» большинства специалистов научных институтов. Естественное желание обеспечить максимальную безопасность часто приводит к фантастическим параметрам потоков и сценариям, которые маловероятно реализуемы даже в 1000-летнем периоде.
Крайности, будь то занижение либо завышение параметров селя, не позволяют правильно оценить масштаб проблемы и, соответственно, затрудняют подготовку технико-экономического обоснования ещё на этапе планирования. При этом завышение параметров даже опаснее, чем занижение – если в последнем случае часто можно дополнить предложенные решения, то во втором иногда получается патовая ситуация – защищать объект надо, но с заложенными параметрами селевого потока это, в принципе, невозможно.
1.2 Требование 100% гарантий
На современном уровне развития науки, специалисты научились достаточно точно предсказывать место проявления селевых явлений. Однако, точно определить масштаб селя — всё ещё крайне сложная задача. Отсутствие опыта работы с остаточным риском часто приводит к фантастическим бюджетам на мероприятия инженерной защиты.
1.3 Нежелание проводить дополнительные изыскания
Известная всем изыскателям проблема нежелания заказчика платить за этот вид работ ещё больше проявляется при необходимости сделать направленные изыскания для уточнения параметров селевых потоков. Заказчик обычно ссылается на уже имеющиеся данные и просит работать с тем, что есть. Однако, достаточно сложно предложить адекватное техническое решение, когда в изысканиях указано не более чем то, что «объём селей может достигать 10-100 тысяч м3».
2. Этап проектирования
2.1 Квалификация в вопросах мероприятий по защите от селевых потоков
Как ни странно, одной из серьёзных проблем является банальное отсутствие в стране специалистов по защите от селевых потоков и даже просто специалистов по селям. Будучи специалистами в смежных областях, проектировщики часто недооценивают потенциальную мощь селевых потоков. Самым наглядным примером в нашей практике является проект по защите подстанции 110 кВт «Роза Хутор»: несмотря на настойчивые рекомендации специалистов Gеоbrugg установить противоселевые барьеры поперек всего русла селеопасного водотока, главный инженер проекта, гидролог по образованию, выбрал свой вариант с зауживанием русла путем строительства дамбы и отводом селевого потока в узкий канал, в котором и были установлены барьеры. Первый же серьёзный сель быстро заполнил серию из двух барьеров, после чего размыл дамбу в днище долины (весьма слабой конструкции) и продолжил движение в обход конструкций.
Рисунок 2а – Проект установки барьеров и зауживания русла дамбой.
Рисунок 2б – Первый же селевой поток после заполнения барьера размыл дамбу.
Любому специалисту по селям очевидно, что идея с зауживанием русла и перенаправлением селевого потока земляной дамбой предъявляет высокие требования к проекту собственно дамбы, но в данном случае это была просто утрамбованная наброска из местного материала.
2.2 Расчеты
Специализированных моделей для расчёта параметров гибких противоселевых барьеров крайне мало. Одна из них – модель, заложенная в одноимённую программу для проектировщиков DЕBFLOW, является плодом многолетнего сотрудничества производителя гибких противоселевых барьеров Gеоbrugg и ведущего швейцарского НИИ WSL. Расчёты с применением модели конечных элементов, лабораторные и полномасштабные испытания на оборудованном природном полигоне позволили свести разницу в расчётных и измеренных в поле нагрузок на противоселевой барьер всего к 6%! Модель позволяет задать основные параметры селевого потока и выбрать подходящую, многократно испытанную модель противоселевого барьера без необходимости расчёта прочности каждого элемента.
Рисунок 3. Испытательный полигон WSL с установленным барьеров Gеоbrugg в г. Иллграбен, Швейцария. На фото видно тензометрические датчики на несущих канатах, лазерный высотомер и видеокамеру. В днище долины установлены весы, измеряющие вес селевой массы.
В большинстве своём проектировщики полагаются на имеющиеся данные изысканий о нагрузках на барьер и о прочности материалов – сетки, канатов, опор. Такой подход обусловлен, как небольшим выбором готовых и испытанных систем — гибких противоселевых барьеров, так и моделей, описывающих взаимодействие селевого потока с защитной конструкцией. В итоге основным методом расчётов становится сравнение нагрузки от селевого потока на отдельные элементы конструкции. Как правило, ни один из элементов сам по себе выдержать такие нагрузки не может, поэтому проектировщик прибегает к простому сложению прочностей разных конструктивных элементов. Например, сложению прочностей колец в кольчужной сетке для получения прочности самой сетки. Или даже сложению прочностей сетки, канатов и опор в какой-нибудь ничем не подтверждённой пропорции.
При таком подходе упускается критическое количество деталей:
- не учитывается волновой характер движения селевого потока
- не учитывается последовательность воздействия селевого потока на разные части конструкции – при первом ударе, заполнении и перетекании
- не учитывается, что самой слабой частью обычно являются соединения несущих элементов
- заложенные в расчёт допущения никогда не проверяются на практике, до того момента, пока барьер не будет установлен
Такого рода расчёты, методология которых не подтверждается реальными испытаниями, совершенно логично вызывают множество вопросов в экспертизе и часто приводят к установке де-факто экспериментальных конструкций для защиты людей и капитальных объектов.
Масштаб последнего явления – применения ранее нигде не применявшихся и никак не испытанных конструкций достигает на территории СНГ угрожающих масштабов. Жертва своей репутацией ради сиюминутной прибыли позволяет абсолютно неопытным «специалистам» в считанные часы нарисовать любую конструкцию для нежелающего разбираться по существу заказчика, а потом свалить всё на буйство стихии и некомпетентность подрядчика.
2.3 Конструктивные решения
Часто, в целях экономии, проектировщики «на коленке» собирают подобие противоселевого барьера из легко доступных (для покупки подрядчиком на рынке) металлических элементов, из которых подрядчик затем и собирает конструкцию. В самом подходе уже заложено несовершенство – проектировщик никогда не заложит индивидуальную, либо редкую деталь. Если подрядчик не может найти подходящего элемента, например, каната определённого плетения, он всегда найдет способ заменить его на канат такого-же диаметра согласовав с проектировщиком или «забыв» об этом.
Гораздо большая опасность, особенно для заказчика, таится в том, что несмотря на глубочайшую детализацию и ссылки на многочисленные нормирующие документы, (что, в глазах непрофильного специалиста, придаёт проекту определённый вес и солидность), для многих сборных узлов не указаны требования по их прочности и испытаниям. Практически в 100% случаев таким узлом является гибкий оголовок, призванный передавать нагрузку с несущих канатов на грунтовые анкеры. Для одного из основных узлов не указываются требования по нагрузке, хотя детально расписываются тип каната и коуша!
Предлагая заказчикам готовое решение – гибкий противоселевой барьер, испытанный реальными селевыми потоками, проверенный в десятках проектов и с точно рассчитываемыми параметрами в надёжной модели, компания Gеоbrugg предъявляет лишь требования практически лишь к нагрузкам, которые должны выдерживать грунтовые анкеры. Вся остальная конструкция работает как единая система, в согласованной работе элементов которой не приходится сомневаться.
Рисунок 4. Типовой чертёж противоселевого барьера Gеоbrugg VХ140-H4. На чертеже указаны требования по несущей способности анкеров.
2.4 Расположение на местности
Модели рельефа местности, с которыми обычно работают проектировщики, являются результатом некоторой генерализации исходных данных. Следует учитывать, что для правильного расположения барьера (на этапе подготовки рабочего проекта) следует в обязательном порядке выехать на место предполагаемой установки и выбрать конкретный створ или створы, если устанавливается серия барьеров. Для каждого из створов следует сделать детальный поперечный профиль. В противном случае велик риск не учета локальных факторов – крупных валунов в днище, боковой эрозии или оползня на склоне, недостаточности высоты бортов и т.п. Барьер, конечно, можно будет смонтировать, но, скорее всего, монтаж вынуждено будет сделан с ошибками, которые очень быстро проявят себя в начале эксплуатации.
Бывают и курьёзные случаи – в одном из проектов в горах серию барьеров установили в русле водотока, куда другим проектом – по лавинозащите – предполагалось отводить лавину при превышении её объёмов над расчётными (1% обеспеченности). К сожалению, в силу разных обстоятельств, в первую же зиму была спущена именно такая лавина, из переувлажненного снега и с большим содержанием грязекаменной массой, объёмом около 300 тысяч кубометров. Она ударила в серию из трёх барьеров, рассчитанных на объём селевой массы 10 тысяч кубометров, существенно повредила первый барьер и заполнила два последующих, что привело к необходимости обслуживания уже в первый год. Эта ситуация говорит о важности рассмотрения проекта по селезащите в комплексе с другими частями крупного проекта.
Рисунок 5. Отложения снежной лавины перед противоселевым барьером весной.
3. Этап строительства
3.1 Квалификация стройподрядчика
Сам по себе монтаж противоселевых барьеров не представляет из себя ничего сложного – бригада без опыта из 3-4 человек может без проблем смонтировать барьер на готовые анкеры за пару дней при наличии инструмента. Однако к анкерам и фундаментной части предъявляются весьма строгие требования по точности исполнения. Более того, анкерные технологии пришлю в Россию сравнительно недавно – накануне Олимпийских Игр в Сочи и далеко не у каждой строительной организации есть оборудование и навыки для бурения и установки анкеров.
3.2 Разметка и шеф-монтаж
В обязательном порядке производитель противоселевого барьера, либо проектировщик подобной конструкции должен принимать участие в разметке точек бурения под анкеры и шеф-монтаже барьера, если раннее подрядчик не выполнял таких работ. Гибкие барьеры довольно чувствительны к правильности геометрии конструкции и, в случае ошибок, с большой долей вероятности будут работать не совсем корректно. После монтажа барьера производитель и/или проектировщик должны подписать акт о приёмке работ и подтвердить, что система смонтирована правильно.
Именно на этом этапе часто проявляется конфликт интересов – формальным покупателем конструкций является подрядчик и он в данном случае решает, хочет ли он составлять этот документ и показывать его заказчику. При ошибках в монтаже большинство подрядчиком предпочитают закрыть работы и сдать конструкцию без сертификата от производителя. С другой стороны – неуверенные в качестве своего «продукта» поставщики и проектировщики не спешат давать гарантии подрядчику. В случае разрушения конструкции первым же селем они ссылаются на некорректный монтаж и виноватым оказывается подрядчик. В конечном итоге проигрывает заказчик, объекты которого оказываются разрушенными или незащищенными на время судебных разбирательств с подрядчиком и проектировщиком.
Следует отдельно отметить, что из более, чем 30 установленных конструкций Gеоbrugg правильно смонтированным с первого раза и без привлечения специалистов компании-производителя оказался лишь один барьер.
4. Эксплуатация
4.1 Мониторинг и своевременное обслуживание
Противоселевые барьеры на основе сеток и канатов являются гибкими конструкциями. При заполнении барьера селевой массой он под нагрузкой отклоняется от первоначального положения – натягиваются канаты, срабатывают амортизационные элементы, растягиваются сети. Это (не должно, но) может сопровождаться деформациями некоторых элементов, небольшой эрозией бортов долины, повреждениями отдельных элементов острыми гранями обломков, влекомых селевой массой. Качественные барьеры, например, компании Gеоbrugg, способны длительное время находится в заполненном состоянии и не требуют немедленного обслуживания. Однако, после каждого существенного селевого события рекомендуется их хотя бы осмотреть. При отсутствии такой возможности – например, установке барьеров на сложнодоступном участке, можно предусмотреть установку автономной системы мониторинга, которая будет отображать нагрузки на систему в реальном времени.
Здесь следует разделить понятия «обслуживание» и «восстановление», так как некоторые поставщики данных решений понимают их превратно. Обслуживание подразумевает осмотр, при необходимости – расчистку и замену сильно повреждённых элементов. При этом барьер всё ещё работоспособен и без обслуживания. Если барьер практически полностью разрушен селевым потоком – порваны канаты, разрушены фундаменты, повреждена сеть и стойки, и более не выполняет никакой защитной функции – это уже повод для полной замены конструкции и глубокого анализа причин произошедшего. На рынке подобных конструкций существует практика, когда подрядчик или поставщик предлагают заказчику подписать договор на обслуживание конструкции вместе с договором поставки. Это серьёзный повод задуматься о качестве предлагаемой конструкции.
Рисунок 6. Полностью разрушенная серия из трёх барьеров неизвестной конструкции из кольчужной сетки.
4.2 Использование оригинальных комплектующих
Каким бы ни был барьер, его обслуживание стоит производить с применением оригинальных комплектующих, согласованных производителем или проектировщиком. В противном случае, заказчик берет на себя все риски, связанные с некорректной работой конструкции, в нюансах функционирования которой он может не разбираться и всегда окажется «виноватым» во всех возможных бедах.
Выводы
Ключевым фактором в реализации мероприятий по защите от селевых потоков с помощью гибких противоселевых барьеров является опыт: опыт проектировщика, опыт производителя и опыт подрядчика. Этот очевидный вывод помог бы сэкономить сотни миллионов рублей, если бы к нем прислушивались чаще, чем это делают сейчас. Особенно актуальна данная рекомендация ввиду отсутствия в России каких-либо официальных документов, регламентирующих качество подобных конструкций. А селевые потоки являются не до конца изученным и предсказуемым опасным явлением, обладающим огромной разрушительной силой и требующим квалифицированного подхода на всех этапах планирования инженерной защиты как с использованием гибких противоселевых барьеров, так и другими способами или их комбинацией.
Рисунок 7. Специалист Gеоbrugg проводит осмотр заполненного селевой массой барьера.
