Системы защиты от камнепадов, обвалов, осыпей
Изменения климата приводят к интенсификации опасных камнепадов, обвалов и осыпей склонов. Скально-обвальные явления, ранее характерные для горной местности, всё чаще проявляются на урбанизированных территориях,
расположенных рядом со скальными склонами, в то время как существующей противокамнепадной защиты и прочности используемых материалов часто недостаточно для обеспечения безопасности. Мы предлагаем проверенную инженерную защиту от камнепадов для любых опасных процессов – от небольших осыпей грунтов до масштабных обвалов, а также помощь в проектировании защитных сооружений и шеф-монтаж на всех этапах строительства.
Противообвальные завесы на основе сеток часто являются экономически эффективной альтернативой динамическим противокамнепадным барьерам.
Барьеры-аттенюаторы рассеивают энергию камнепадов и направляют обломки в обозначенную зону аккумуляции (напр., траншею). Система позволяет расчищать скопившиеся обвальные массы без дополнительных затрат времени и средств.
Практически не требующий обслуживания самоочищающийся барьер позволяет забыть о расходах на обслуживание.
Барьеры кольчужного типа для защиты от камнепадов, обвалов и осыпей обеспечивают максимальную защиту даже в ограниченном пространстве. Модельный ряд включает барьеры, рассчитанные на энергию удара обвального блока до 10 000 кДж.
Барьеры из высокопрочной ромбовидной сети – экономически эффективная и надёжная конструкция для защиты от обвалов, осыпей и камнепадов.
Заполните форму, мы перезвоним и ответим на все интересующие вопросы
Простыми словами об инженерной защите:
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРОТИВОКАМНЕПАДНОЙ ЗАВЕСЫ
Все завесы действуют по одному и тому же принципу: они позволяют осуществить падение потерявшего устойчивость блока скальной породы к подножию склона в контролируемом пространстве. Как правило, у подножия организовывается небольшая траншея, либо свободное место для накопления обломков.
СТРУКТУРА ПРОТИВОКАМНЕПАДНОЙ ЗАВЕСЫ
Завесы, как правило, крепятся в прибровочной части склона выше зоны формирования обвально-осыпных процессов и, накрывая эту зону, опускаются практически до подножия склона. В верхней части завесу держат стальные сваи либо анкеры, прочно закрепленные в устойчивом грунте с определённым шагом. Сама завеса представляет собой стальную сеть, закрепленную либо непосредственно к анкерам, либо (чаще) через несущий канат. По боковым и нижнему краям завесы могут проходить контурные канаты для придания ей веса для устойчивости к ветру и лучшему прилеганию к склону. При этом нижний канат иногда свободно (без натяжения) крепят несколькими анкерами.
ПРИМЕРЫ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ПРОТИВОКАМНЕПАДНЫХ ЗАВЕС
Инженерами компании Geobrugg AG (Швейцария) был разработан ряд типовых конструкций противокамнепадных завес на основе разрабатываемых и производимых компанией уникальных сетей из высокопрочной (> 1770 Н/мм2) стальной проволоки. Ниже рассмотрим основные элементы конструкции:
1. Сеть.
Все сети производятся из высокопрочной стальной (>1770 Н/мм2) проволоки и, как правило, обладают алюмоцинковым Geobrugg Supercoating (Zn95Al5) покрытием для защиты от коррозии. Эти свойства сеток характерны не только для завес, но и для сеток, используемых для активной стабилизации склонов, противокамнепадных барьеров и других конструкций. Остановимся на параметрах, важных именно для завес:
- прочность. С прочностью более 1770 Н/мм2 проволока в сети уже превосходит традиционные аналоги (сети типа Рабица, двойного кручения, кольчуга и т.п.) по прочности в 3-4 раза, так как стандартная для данных сеток проволока обладает прочностью 450-550 Н/мм2. Прочность проволочной нити позволяет существенно увеличить устойчивость всей сетки к срезающей нагрузке острыми гранями падающих блоков. Испытания показывают, что срез всего одной проволочной нити снижает несущую способность всей плетеной сетки в месте разреза до 60% (при условии плетения в одну нить). Дополнительно высокая порочность обеспечивает легкий вес материала, что важно для процессов транспортировки и монтажа.
- конструктивные особенности сетки. По форме ячеек выделяют квадратные (Рабица, QUAROX), ромбические (MINAX, DELTAX,), шестигранные (двойного кручения), кольцевые (кольчужная). По конструкции можно для целей статьи разделить сети на плетеные (Рабица, MINAX), крученые (QUAROX, двойного кручения) и кольчужные. Эти конструктивные особенности оказывают влияние на поведение сеток в составе завес, в том числе под нагрузкой от падающих блоков.
- Испытания компании Geobrugg, проведенные совместно с независимыми институтами, показали, что под нагрузкой наименьшие деформации и, одновременно, лучшее распределение энергии от внешнего воздействия по полотну сети показывают сетки с ромбовидной ячейкой. В сетках типа Рабица с квадратной ячейкой происходит концентрация нагрузок в точке воздействия, что более опасно с точки зрения прорыва. Кольчужные сети хорошо воспринимают динамические нагрузки, но допускают существенные деформации и являются крайне тяжелыми в сравнении с другими сетками.
- Форма ячейки и конструкция сетки также определяют её устойчивость к расплетению под нагрузкой: если кольчужную сеть и сети из высокопрочной проволоки расплести практически невозможно, то сеть двойного кручения крайне податлива к расплетению.
- Размер ячейки важно выбрать исходя из максимального допустимого размера падающего блока, который, в свою очередь, определяется защищаемым объектом. Например, для защиты сооружений можно выбирать сети с крупной ячейкой, если в зоне действия процесса работают люди – с более мелкой. Не все мелкоячеистые сети обладают высокой прочностью, например, как сеть MINAX – иногда целесообразно соорудить завесу из двух сетей – более мощной с крупной ячейкой для защиты от массивных блоков и легкой с мелкой ячейкой для защиты персонала. Минусом такого решения может стать необходимость регулярно менять легкую сеть в результате повреждений.
- размер, вес и способ соединения полотен сети. Способ соединения полотен сети должен обеспечивать непрерывную передачу нагрузки между ними для предотвращения возникновения ослабленных зон в местах соединений. Размер и вес полотен сети определяют скорость и стоимость строительно-монтажных работ и обслуживания. В общем случае, чем меньше и тяжелее полотно сети, тем дороже и дольше будет монтаж.
- способ соединения полотен сети и анкерных элементов в верхней части. Как правило, для более равномерного распределения нагрузок по верхнему краю сетки для соединения с анкерными элементами используют несущий канат диаметром 18 мм и более, в зависимости от конструктивных особенностей каната.
2. Анкерные элементы для крепления в верхней части склона.
На основании множества реализованных проектов по установке завес и систем укрепления склонов, специалистами Geobrugg был сформулирован ряд рекомендаций по обустройству анкерного крепления завес в верхней части склона.
Способ крепления.
На практике широко распространены три основных типа крепления:
- сваи (как правило, из подручных материалов – рельс, труб и т.п.) забетонированные вертикально в грунт
- металлические анкеры на основе арматурных стержней
- буроинъекционные анкеры типа Ischebeck TITAN
Следует отметить, что буроинъекционные анкеры являются наиболее технологичным и широко применяемым в геотехническом строительстве способом анкерного крепления, однако необходимое буровое оборудование обычно отсутствует на местах, поэтому выполнение данной работы требует привлечения специализированных подрядчиков (ровно, как и работы по навеске сети требуют привлечения промышленных альпинистов). Тем не менее данный способ имеет важные преимущества перед первыми двумя:
- максимальная надежность технологии;
- возможность установки анкеров с практически неограниченной несущей способностью;
- наличие специальных соединительных элементов (например, Geobrugg Flex Head) для технологичного крепления несущих канатов завес к оголовкам анкеров;
Для узла крепления сети к анкерным элементам типовых решений не так много – часто применяют либо приваренные элементы с проушинами, либо петли из канатов. При разработке узла «с чистого листа» вырастает вероятность ошибки, поэтому рекомендуется пользоваться проверенными решениями.
Важной особенностью буроинъекционных и стержневых анкеров является возможность закрепления их в стабильные породы вглубь массива. Сваи, как правило, крепятся вертикально с небольшим отступом от бровки склона, которая, в свою очередь, максимально подвержена разрушению различными процессами. Очень часто именно отступание бровки в результате выветривания приводит к обрушению сваи, а вслед за ними и завес.
3. Натурные испытания
Описанные выше рекомендации основаны на опыте и натурных испытаниях, в подробности которых планируется углубиться в следующих статьях. Однако, даже не углубляясь в подробности, можно утверждать, что:
А) расчет параметров противокамнепадных завес необходим, но ни одна из существующих методик пока не является универсальной для всех вариантов конструкций – как правило, авторы конструкции предлагают расчётные формулы, представляющие собой базовые принципы из нормативных документов (например CIRIA) с модификациями под конкретную конструкцию
Б) так как проверить точность расчёта конструкции завесы часто не представляется возможным, крайне желательно, чтобы конструкция или хотя бы её элементы были испытаны в полномасштабных независимых испытаниях. Это важно, так как сумма прочностей элементов завесы может быть существенно выше, чем прочность конструкции в сборе. Испытания позволяют определить слабые места конструкции и их лимиты по общей несущей способности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Завесы для защиты от обвально-осыпных явлений широко применяются на практике, в том числе для защиты инфраструктуры карьеров. Быстрые в монтаже, не требующие обслуживания и недорогие конструкции выполняют важную роль в обеспечении безопасности производства работ. Соблюдение нескольких простых рекомендаций при планировании мероприятий по возведению завесы, а именно – сбор специализированной информации и инженерный подход к выбору конструктивных особенностей и используемых материалов позволяет существенно повысить степень надежности конструкции и увеличить срок эксплуатации при сохранении общего бюджета.
* Полный текст статьи читайте в «Горном журнале», выпуск №1, 2021: Техническое обоснование выбора конструкции противокамнепадной завесы для защиты от обвально-осыпных явлений в карьере. А.Ю. Баринов. ООО «ГЕОБРУГГ», г. Москва, Россия.
Добыча полезных ископаемых открытым способом, то есть путем создания карьеров, давно известный человечеству способ. Существует огромное количество рекомендаций, указаний, правил и норм, описывающих многочисленные аспекты проектирования, строительства и эксплуатации карьеров, включая крутизну и высоту бортов и отдельных откосов, а также характеристики защитных берм.
Эффективность добычи зависит от многих факторов - некоторые из них поменять нельзя или очень сложно, как, например, геологическое строение или режим налогообложения в стране добычи. Но эффективность добычи можно существенно повысить путем применения новых технологий. Многие слышали об инновациях в горных работах, диджитализации, использовании дронов и беспилотных технологий, сложных геоинформационных системах и т.д., но одним из самых востребованных способов повышения эффективности добычи с давних времен является увеличение крутизны откосов и уменьшение размеров и/или количества защитных берм в карьере. Сдерживающим фактором в этом направлении всегда была и остается безопасность - увеличивая крутизну бортов и уменьшая бермы, мы приближаемся к пределу устойчивости пород, слагающих стенки карьера, и повышаем опасность возникновения неблагоприятных геологических процессов. Какие инновации в области увеличения крутизны бортов предлагает Геобругг, и как это сказывается на безопасности эксплуатации? Об этом ниже.
Напомним, что компания Геобругг более 70 лет разрабатывает и производит уникальные конструкции для укрепления склонов и защиты от камнепадов, широко применяемые как при разработке карьеров, так и в гражданском строительстве. Их главными особенностями является запатентованная технология применения высокопрочной стальной проволоки (более 1770 Н/мм2) и полномасштабные испытания. Испытания конструкций в сборе и в полном масштабе гарантируют максимальный уровень надежности, а применение высокопрочной проволоки позволяет применять легковесные решения там, где раньше требовалось применение массивных бетонных конструкций или, в части карьеров, безальтернативным было выполаживание борта. Но как именно применяются технологии Геобругг в карьерах? Какой дают экономический эффект, и кто гарантирует безопасность?
Проекты карьеров редко предусматривают сооружение конструкций для инженерной защиты, как, например, противокамнепадные сетки и барьеры или активное закрепление откосов, с самого начала. Карьер проектируется таким образом, чтобы опасных геологических процессов не возникало в принципе, либо, чтобы они возникали контролируемо - то есть нивелировались защитными бермами. Чтобы избежать более серьезных проблем, при проектировании используются коэффициенты безопасности - обычно 1,1–1,2 в зависимости от ситуации. Более того, часто уже при проектировании карьера инженеры стараются избежать потенциально проблемных участков - разломных зон, водопроявлений, участков распространения слабых пород и др.
Наука и техника не стоят на месте - новые разработки в областях геологоразведки и мониторинга позволяют все точнее прогнозировать и отслеживать состояние горного массива и, соответственно, развития опасных геологических процессов. Это открывает потенциал к оптимизации проектов карьеров: более точные изыскания снижают неопределенность в расчетах устойчивости откосов и бортов, а использование продвинутых систем мониторинга и предупреждения позволяет избежать серьезных рисков даже в случае отклонений природных процессов от расчетных моделей. Как результат, становится возможным делать борта и откосы карьеров круче и выше, а ширину и частоту берм - ниже.
В этой же связке находятся системы инженерной защиты Геобругг - последний рубеж противостояния неблагоприятным процессам перед неизбежным выполаживанием борта:
- Изыскания = точные данные для расчетов параметров с минимально необходимым запасом надежности
- Мониторинг = гарантия безопасности персонала даже при отклонении параметров от расчетных
- Геобругг = защита от опасных процессов, развитие которых не было предусмотрено либо превзошло расчетные параметры
- Выполаживание = защита от опасных процессов, масштабы которых не позволяют экономически эффективно применить методы инженерной защиты и мониторинга
Совокупность качественных изысканий, мониторинга и (только при необходимости!) мероприятий по инженерной защите дают возможность организовать безопасность эксплуатации карьера по принципу «необходимое и достаточное», снижая ненужные затраты на избыточные коэффициенты запаса, которые, как правило, физически выражаются в объемах вскрышных пород (3-7$/м3 не считая экологических последствий и временных затрат). При взгляде на (грубую) оценку затрат на разработку карьера хорошо видно, что инвестиции в изыскания, мониторинг и инженерную защиту - при условии пропорционального снижения затрат, собственно, на работы и труд - дают существенный экономический эффект:
Объемы некоторых затрат на разработку карьера:
- Горное оборудование и машины: 20-30%
- Затраты на рабочую силу: 25-35%
- Затраты на топливо и энергию: 10-20%
- Погрузочно-разгрузочные работы и транспортировка: 5–15 %
- Техническое обслуживание и ремонт: 5-10%
Всего на работы и машины: 65% и более
- Разведка и оценка ресурсов: 1-5%
- Управление непредвиденными обстоятельствами и рисками: 1-5%
- Соблюдение требований безопасности и охраны окружающей среды: 5–15 %
Всего на разведку, безопасность и управление рисками: 25% и менее
Из структуры расходов видно, что даже по очень грубой оценке коэффициент отдачи инвестиций в изыскания, мониторинг и инженерную защиту будет больше, чем в два с половиной раза! С учетом абсолютной стоимости разработки карьеров в десятки и, чаще, сотни миллионов долларов экономия составляет миллионы долларов, что позволяет предприятиям делать выбор из самых передовых систем. Многие карьеры уже внедряют подобные методы - например, одно из предприятий провело технико-экономическое обоснование внедрения технологий инженерной защиты Геобругг и получило экономический эффект в размере 650 тысяч долларов. (К сожалению, подобные работы почти всегда защищены соглашениями о конфиденциальности, и мы не можем привести подробностей в данной статье).
В заключении, вернемся к вопросу безопасности. В статье мы говорим об использовании «самых современных» технологий - подразумевая также, что это проверенные и надежные технологии. Именно поэтому говоря о технологиях инженерной защиты, мы говорим о технологиях Геобругг. В инженерной защите ничего не должно оставаться на волю случая: инженерные расчеты, контроль качества, полномасштабные задокументированные испытания и, в конце концов, репутация изготовителя определяют надежность защитных мероприятий. Любая попытка заменить технологии и материалы на «такие же только дешевле» или использование ничем не подтвержденных расчетов и конструкций в строительстве приводит к катастрофическим последствиям и абсолютно неправильным выводам о том, что «все это не работает». Делайте правильные выводы - точные расчеты и надежные современные технологии открывают путь к экономической эффективности нового уровня при сохранении безопасности.
Автор: Александр Баринов
Заполните форму, мы перезвоним и ответим на все интересующие вопросы