Укрепление склонов
Системы
Нужна консультация?
Заполните форму, мы перезвоним и ответим на все интересующие вопросы
Как укрепить склон?
Начнем с простого — то есть с того, что может сделать каждый.
1. Выполаживание склона — вероятно, самый старый, самый распространенный и самый примитивный метод защиты от оползней и обвалов, осыпей. Повышение устойчивости склона происходит по принципу “Нет склона — нет проблемы”. Причем осуществлять противооползневые работы за счет выполаживания откоса склона можно по-разному: поставив склон под более пологим углом к основанию (т.е. выполнив подрезание склона), либо сделав на нем несколько полок-террас — тем самым укрепление крутых склонов осуществляется за счет уменьшения их общей крутизны и снятия с них нагрузки. При террасировании склонов мы как бы делим их на несколько маленьких “склончиков”.
Укрепление оползневых склонов выполаживанием имеет свои, хорошо известные, недостатки и ограничения. Начнем с того, что не каждый склон можно выположить — для этого нужно отвести дополнительную территорию (место), требуются работы по перемещению и складированию грунта (еще раз место) и уверенность в том, что изменение откоса склона не приведет к еще большим проблемам. Как пример возьмем откос выемки для прокладки автомобильной дороги. Выполаживание и террасирование откосов склонов — основные методы стабилизации в этой области. Однако, не всегда строители дорог могут выходить за отведенные им границы строительства, чтобы сделать склон более пологим. В условиях пустынной местности это не представляет никаких проблем, но при строительстве дороги в плотной застройке, или в заповеднике, или среди плодородных полей — изъятие земель под, например, террасирование склона для строительства дороги может быть не самым экономически обоснованным решением, если вообще осуществимым в случае заповедных земель. Другой пример — когда уже существующие частные постройки или промышленные сооружения стоят на краю нестабильного откоса. В этом случае выполаживание теряет смысл, так как объект в любом случае надо будет переносить.
Отдельно скажем про возможные негативные геологические последствия при подрезке и профилировании естественного склона. Вмешиваясь в естественную структуру склона, мы (часто) убираем растительный покров, а также влияем на изменение условий дренажа грунтовых вод. Это крайне часто является причиной сползания и широкого развития эрозии (размыва) на свежеподрезанных склонах.
2. Дренаж — это то мероприятие, о котором необходимо думать в любом проекте по стабилизации склона, ведь если гравитацию представить “двигателем” смещения грунтов, то вода в нем будет “маслом”. Причем вода может попадать на склон разными путями — как в виде осадков — формируя эрозийные борозды, особенно на свежеподрезанных склонах, так и изнутри в виде подземных вод. Для стабилизации грунта на склоне воду от него желательно отвести. С поверхностными водами все просто — устраиваются перехватывающие канавы различных конструкций. Как правило, канава устраивается в крест стекающим осадкам, дно канавы выполняется изолирующем материалом, а уклон в нужную сторону делается не слишком крутым, чтобы стекающий поток не размывал дно.
С подземными водами ситуация сложнее, так как нужно понимать, откуда конкретно они приходят — ведь для их остановки придется обустраивать подземный перехватывающий дренаж — звучит мероприятие страшнее, чем оно на самом деле осуществляется. Главное — хорошие геологические изыскания и понимание того, что, откуда и куда течет.
Есть и третья ситуация — когда основание склона непосредственно уходит в воду — будь то берег реки, озера или моря. Для укрепления берегов водоемов разработано большое количество инженерных гидротехнических сооружений. Благодаря развитию технологий, многие проблемы эрозии и абразия берегов можно решить путем применения геосинтетических материалов в комбинации с заполненными грунтом коробами из металлических сеток — габионных для простых участков (берег небольшого озера на даче) или высокопрочных типа ТЕССО® Cell для берегов бурных горных рек, больших озер, морей и океанов.
Кстати, современные технологии укрепления склонов с применением высокопрочных сеток имеют еще и то преимущество перед железобетонными конструкциями, что сетки не препятствуют естественному дренажу на склоне.
3. Геосинтетические материалы (георешетки, геосетки, противоэрозионные маты и т.п.) — очень широкий термин, объединяющий любые синтетические материалы, так или иначе соприкасающиеся с грунтом или используемые в геотехнике. Применяются сплошь и рядом как противооползневая защита, и очень часто бездумно — материалы, созданные для одной цели, применяют для совершенно другой. Хороший пример — базальтовые сетки: изначально созданные для армирования каменной кладки и ни коим образом не предназначенные для работы на срез материалы иногда рекомендуют применять для укрепления скальных склонов или крепления сводов шахт!
Наш совет — всегда изучайте историю создания материала и его первичное применение. Этот простой способ уберегает от фатальных ошибок.
Геосинтетические материалы, как правило, используются в качестве противооползневого решения для армирования поверхности небольших склонов (5-10 м) крутизной до 30-35 градусов, сложенных рыхлыми грунтами. Основная решаемая ими задача — остановить так называемую “ручейковую эрозию” и дать самому верхнему (и самому рыхлому) слою грунта зарасти и стабилизироваться за счет естественного развития корневой системы растений в почве. Есть и вариации — разнообразные биоматы, кокоматы и т.п. уже несут в своих волокнах семена растений. Объемные георешетки — типа Husker — обладают максимальной для данных конструкций прочностью и удерживают максимально мощный слой почвы — около 10-15 см.
Применять геосинтетику в качестве крепления следует очень осторожно — помимо изначального предназначения, следует обязательно смотреть на несущую способность и качество материала. Увы, повсеместное применение некачественных “аналогов” известных брендов и применение геосинтетических материалов на заведомо неподходящих склонах — крутых (более 35 градусов) и высотой более 10 метров — нанесло существенный удар по репутации данной группы инженерных решений в деле укрепления склонов. Тем не менее, геосинтетические материалы остаются одним из самых распространенных и доступных материалов для предотвращения эрозии почв и стабилизации грунта вблизи поверхности на относительно небольших уступах.
4. Стальные сетки низкой несущей способности — в большинстве своем имеют прочность качественной геосинтетики, но отличаются большей устойчивостью на срез острыми краями обломков горных пород. Базовые варианты — известная всем сеть Рабица или более современная сеть двойного кручения (СДК), она же — габионная сетка.
В чистом и “первозданном” виде Рабица применяется в качестве заборов на дачных участках и для сооружения противокамнепадной завесы там, где нужно показать надзорным органам, что какие-то мероприятия по обеспечению безопасности участка были выполнены. Для укрепления склонов используются те же плетеные сетки, но из проволоки гораздо большей толщины — 4-5-6 мм, часто в комбинации со стальными канатами. Толщина проволоки позволяет увеличить несущую способность плетеной сетки до 5-6 тонн/кв. м, а добавление к сетке стальных канатов — добиться очень хороших показателей прочности… на испытательном стенде. Это такой “узконишевый дизельгейт”: так как на стенде на растяжение по основной оси испытывается панель сетки 1 х 1 метр или 2 х 2 метра, любую слабую сеть можно превратить в супер прочную “систему укрепления склонов” путем добавления канатов и снижения шага между ними. На прочность сети добавление канатов никак не влияет.
Габионная сеть, как несложно догадаться, изначально придумана для сооружения габионов. Для тех, кто не знает, габионы — это такие короба из сетки, наполняемые камнем и выполняющие функцию подпорной стенки. Уникальной особенностью этой сетки является двойное плетение (отсюда ее второе название) — это плетение помогает сетке “запоминать” и держать форму короба габиона. При применении на склоне это не помогает и даже мешает — при прорыве сеть расплетается по длине рулона. Как и тяжелая (из проволоки 4-6 мм) плетеная сеть Рабица, габионная сетка держит 5-6 тонн/кв. м, чего обычно достаточно для участков крутизной 30-35 градусов, в том числе для массивов, сложенных скальными породами — и это основное отличие этих сеток от геосинтетики. При стоимости около 3-5 USD за квадратный метр — вполне рабочее геотехниеское решение.
Отдельно стоит упомянуть, что сетка должна как-то крепиться в грунт. С учетом того, что обычные плетеные сетки и габионная сеть закрепляют, подобно геосинтетике (георешеткам, геосеткам), только самый верхний нестабильный слой грунта — предельно до глубины 20-50 см — их крепление следует осуществлять анкерами в более глубокие, стабильные грунты. Анкером (от нем. “якорь”) является что-то, что работает на выдергивание. В наиболее распространенном случае, промышленными перфораторами с шагом 1 х 1 метр на закрепляемом склоне бурят отверстия (шпуры) на глубину до 2 метров. В них с помощью цементного или химического раствора закрепляют арматурные стержни. В верхней части стержня нарезают резьбу или делают петлю, чтобы закрепить гайкой или клином пластину, которая будет передавать нагрузку от сетки на грунтовый анкер.
5. Стальные сетки высокой несущей способности — представлены тяжелыми сетками из колец (или “кольчужными”) и сетками на основе высокопрочной стальной проволоки швейцарской компании Геобругг.
По распространенной версии, кольчужные сетки придуманы в Советском Союзе для защиты акваторий от подводных лодок. Сплетенные из нескольких нитей проволоки кольца, также сплетенный друг с другом, обладают внушительной прочностью и энергопоглащающими свойствами — за счет пластической деформации колец при ударе. Хотя сеть является очень прочной, ее применение на склоне затрудняют огромный вес и деформации под нагрузкой. Также из-за диаметра колец в 30-35 см, под такую сеть часто нужно подкладывать сеть с более мелкой ячейкой — Рабицу или двойного кручения. Анкерное крепление также следует усилить — ведь на выдергивание анкера будет влиять не только нагрузка от смещающегося грунтового массива, но и вес самой сетки. Преимуществом сетки является соотношение цены к прочности — при стоимости в 7-10 USD за квадратный метр сеть несет 10-12 тонн на квадратный метр.
Сетки из высокопрочной (со временным сопротивлением на разрыв >1770 Н/мм2) стальной проволоки в качестве инженерного решения для укрепления склонов применяются сравнительно недавно — первая система на их основе — активная система укрепления склонов ТЕССО® [текко] — была разработана и запатентована компанией Геобругг и впервые поступила в продажу в 1990 году. Технология быстро нашла широкое применение — дело в том, что, благодаря использованию высокопрочной проволоки, стало возможным применять сетчатые противооползневые конструкции даже на тех участках, где раньше нельзя было обойтись без массивных железобетонных удерживающих противооползневых сооружений. Сохраняя все преимущества легких сеток в плане транспортировки и монтажа, сетки и системы Геобругг обладают выдающейся прочностью от 5,5 до 36 тонн/м2 при весе всего от 0,65 до 5 кг на квадратный метр соответственно. Более того, система укрепления склонов на основе высокопрочных сеток не требует много места для монтажа и не препятствует естественному дренажу и озеленению склона многолетними растениями — существенное преимущество перед бетонными стенками, не говоря о цене. В зависимости от прочности сетки и конфигурации системы, цена варьирует в диапазоне 5-50 USD за квадратный метр — существенно дешевле сооружения бетонных стен.
6. Бетонные (на основе свай, шпунта и пр.) и габионные подпорные стенки — применяются в основном в тех случаях, когда надо удержать оползневой склон путем его подпирания у основания тяжелой конструкцией и при этом (в случае бетонных стен) не допустить малейших деформаций. В зависимости от конструкции, такие противооползневые сооружения могут быть сравнительно небольшими и выполнять функцию удерживания или подпирания оползающего грунта на склоне — в этом случае, их можно заменить на упомянутую выше систему ТЕССО®, либо могут быть колоссальных размеров и удерживать огромные оползневые массивы. Бетон — материал хрупкий, поэтому стенки практически не допускают динамического воздействия, хотя иногда их ставят для улавливания грунтовых масс. Более того, такие подпорные сооружения занимают много места и, как и еще один метод на основе бетона — набрызг-бетон (или торкретирование) препятствуют дренажу и естественному озеленению. Тем не менее, этот старый проверенный метод до сих пор широко используется и часто является технически и экономически обоснованным для стабилизации больших оползней.
Отметим, что успешное укрепление склона, как и любой проект в области инженерной защиты территорий, предполагает следование принципам, которые игнорируют гораздо чаще, чем можно себе представить, а именно:
- все решения должны быть основаны на независимых испытанных и сертифицированных материалах и инженерных конструкциях, а также подтверждены точными расчетами — ничего не должно оставаться на волю случая!
- любой неизвестный параметр конструкции (например — устойчивость к динамической нагрузке или на срез) должен быть определен путем независимых полномасштабных испытаний.
- контроль качества, материальная ответственность и даже репутация компании определяют надежность защитных мероприятий и спасают жизни и инвестиции.
Выбор по принципу «такие же, только дешевле» без проведения испытаний и подтверждающих расчетов приводит к катастрофическим последствиям и неправильным выводам о том, что «это все не работает». Делайте правильные выводы и точные расчеты, а также используйте качественные материалы — и эти инвестиции окажутся самыми надежными!
Автор: Александр Баринов
Определение длины и шага анкеров для систем укрепления склонов на основе стальных сеток
Однако, какой бы прочной ни была сетка, без правильного крепления к склону (т. е. без хорошей анкеровки) не обойтись. Неправильно или некачественно выполненное анкерное крепление часто становится причиной обрушений и стальных сеток, и бетонных стенок, и котлованов. Почему? Причина стара как мир - желание сэкономить за счет технической части, то есть за счет надежности, то есть за счет качества и длины анкеров. Но в редких случаях также и отсутствие опыта и специфических знаний. Таблеток от жадности мы не предлагаем, поэтому попробуем помочь тем, кто хотел бы понять базовые вещи, разобраться в технологии и не совершать глупых ошибок.
Вкратце, понятием анкер (т. е. якорь) описывается все, что корнем куда-то крепится - от шурупов и болтов для дома, до геотехнических конструкций. Последние, опять же, делятся на множество разновидностей, в зависимости от назначения, материала самого анкера и того, чем или как он крепится в своем корне. Для укрепления склонов от оползней и камнепадов применяются анкеры (или анкера), представляющие из себя металлические стержни, которые вставляют в заранее пробуренные отверстия и закрепляют их цементным раствором под давлением (классические стержневые), либо забуривают с нагнетанием раствора через анкер (буроинъекционные).
Чтобы определить тип и длину анкера, а также расстояние между ними, необходимые для создания работающей инженерной защиты от оползней и камнепадов, геотехники и проектировщики используют широко представленные на рынке расчетные программы - от получившего известность благодаря пиратским копиям Plaxis, до продуктов компании Rocscience и других, менее известных брендов. Все эти программы объединяют два “недостатка” - высокая цена (приготовьте хотя бы 5’000 USD за годовую подписку) и требования к вычислительной технике (еще 2’500 USD за компьютер). Суммы, на самом деле, смешные в сравнении с ценой ошибок в решаемых задачах, и поэтому у всех специализирующихся на склонах проектировщиков и геотехников программы уже есть. Но…
…любая программа основана на модели, и даже при наличии вычислений важно понимать суть процесса, чтобы быть уверенным в том, что программа и модель выдают близкий к реальности результат. Это раз. Программы (пока что) из рук вон плохо считают параметры анкерного крепления для комбинации с покровными сетками. Это два. И наконец - что делать тем (заказчикам и проектировщикам), кто хочет быстро “прикинуть” бюджет и посчитать предварительное решение, но пока не готов инвестировать в расчетные программы или не располагает данными изысканий и временем для их получения, или тем, кому такие программы в принципе не нужны в повседневной деятельности?
Для тех, кто читает дальше, потихоньку появляются бесплатные онлайн-программы для расчета параметров систем укрепления склонов типа нагель плюс сеть - например, программа RUVОLUM® на международном сайте компании Геобругг, а также существуют некоторые практические знания и шаги, которыми мы хотели бы поделиться ниже.
Исходя из имеющихся данных, логика рассуждения будет примерно следующей:
Шаг 1
Знаете ли вы, на какой глубине:
- проходит поверхность скольжения оползня или
- проходит разлом, по которому может пойти обвал или
- находятся неразрушенные коренные грунты?
Если не знаете - попробуйте определить по внешним признакам - трещины смещения выше склона, трещины и нарушенные жилы в самом склоне, глубина проникновения трещин вглубь массива, наличие или отсутствие выходов прочных, неразрушенных пород.
Если знаете или определили - можете определить длину анкеров “на глаз” - они должны заходить в стабильные (коренные) грунты не меньше, чем на глубину 2 метра. То есть, нужная длина анкера = глубина до стабильных пород + 2 метра (или более, если Вы не уверены в точности определения первого параметра).
Пример 1: склон в целом стабилен, но подвержен воздействию внешних разрушительных процессов, и потому осыпается/обрушается с поверхности - как, например, склон в районе автомобильной и канатной дорог на популярный в Казахстане горнолыжный комплекс Шымбулак. Легко увидеть, что трещины заходят в толщу скального массива на глубину 0,5- 1,5 метра (об этом же говорит размер выпавших блоков). Для надежности округлим толщину нестабильного слоя до 2 метров, значит требуемая длина анкеров - 4 метра. Также легко увидеть, что те, кто делал крепление склона обрушающейся в настоящее время системой (частично выпавших) нагелей и (соответственно, частично порванной) сетки, не следовал нашей простой формуле. P.S.: конечно мы допускаем, что есть вариант, что кто-то решил сэкономить - история умалчивает, но внешний вид разрушающейся крепи уж очень хорошо иллюстрирует ошибки с длиной нагельного крепления и прочностью сетки в попытках закрепить скально оползневой участок.
Пример 2: склон в целом нестабилен - мы видим в верхней части склона глубокие трещины, рвы отседания и предполагаем, что поверхность смещения может уходить вглубь на 5 - 10 - 15 метров. Тут сложно обойтись без расчетной программы и легко ошибиться - в таких случаях при расчете инженерной защиты для укрепления склона от сползания обычно берут худший вариант.
Что может помочь ограничить себя от принятия слишком глубоких поверхностей скольжения при защите от оползня - понимание того, что поверхность скольжения практически никогда не будет глубже высоты самого склона - то есть для склона, высотой 10 метров, поверхность скольжения будет не глубже 10 метров, и, соответственно, анкеры будут не длиннее 12 метров. Однако такой подход без уточняющих расчетов вряд ли даст удовлетворительный бюджет.
Шаг 2. Шаг между анкерами и тип анкера
Со вторым определиться проще, если мы говорим о технологии укрепления склона сеткой (преднапрягаемой системе укрепления склонов нагель плюс сеть) - ведь анкер:
а) должен работать в комбинации с сеткой и передавать нагрузки от сетки в стабильный грунт
б) не быть сильно прочнее или слабее, чем та нагрузка, которую сетка через анкерные пластины способна передать в грунт.
Пример 1: Рассчитать тип анкеров и шаг между ними для условий, когда глубина потенциальной поверхности смещения или толщина нестабильного слоя пород не превышает 3 метра можно в бесплатных программах для расчета параметров систем нагель плюс сеть - например, в уже упомянутой выше программе RUVОLUM®, доступной для зарегистрированных пользователей на международном сайте Геобругг.
Пример 2:. Для второго случая - глубоких поверхностей скольжения - все-таки необходимо выполнить расчет в специализированной программе, однако для целей грубой оценки можно просто принять самые частые параметры для таких конструкций - анкер диаметром 30-50 мм с шагом от 2 х 2 до 2,5 х 2,5 метра - в зависимости от того, насколько масштабной представляется задача.
Бурение и установка анкеров - самая затратная часть в укреплении склонов от оползней с применением высокопрочной стальной сетки. Собственно, высокопрочная сетка и используется для того, чтобы удержать грунтовые массы от выскальзывания между анкерами без необходимость сгущать сетку анкеров как для обычных сеток, ведь работы по их установке и стоимость материалов составляют до 80% стоимости всей конструкции с монтажом. Быстрая оценка параметров анкерного крепления склона позволяет предварительно оценить бюджет (будь то для защиты от оползней в горах или для укрепления откосов склонов), и принять решение о дальнейшем уточнении параметров или выборе другого метода, например, противокамнепадных завес и барьеров, либо барьеров от неглубоких оползней.
Автор: Александр Баринов
Нужна консультация?
Заполните форму, мы перезвоним и ответим на все интересующие вопросы