• Сегодня: Понедельник, Июнь 18, 2018

Враг не сползет! Современные методы инженерной защиты от оползней

Обрушение домов в результате оползня

Аннотация

Оползни являются одним из самых распространенных опасных геологических процессов. Оползание грунта чаще всего происходит в рыхлых слабосцементированных породах вследствие переувлажнения из-за грунтовых вод, обильных осадков, человеческой деятельности. Организационно-технические методы инженерной защиты от оползней можно условно разделить на две группы – пассивные и активные. Они включают мониторинг развития опасных геологических процессов, осушение и дренаж зон образования оползней, перераспределение грунтовых масс, искусственное изменение свойств грунта, мероприятия по удержанию и закреплению оползневого массива.


По статистике доля оползней в общем объеме опасных геологических процессов (ОГП) на территории России составляет 17%. Оползни могут разрушать жилища и подвергать опасности целые населенные пункты. Они угрожают сельскохозяйственным угодьям, создают опасность при эксплуатации карьеров, повреждают коммуникации, тоннели, трубопроводы, телефонные и электрические сети, угрожают гидротехническим сооружениям. А нередко уносят и человеческие жизни.

Оползание грунта чаще всего происходит в рыхлых слабосцементированных породах вследствие того, что крутой и высокий склон по мере подмыва его рекой, водохранилищем, морем теряет свою устойчивость, и значительные горные массы крупными блоками начинают смещаться вниз по склону. Оползневое движение обычно связано с наличием грунтовых вод, переувлажнением обильными осадками, человеческой деятельностью. Непосредственной причиной схода оползней являются провоцирующие факторы (триггеры): землетрясения, ливни, техногенные процессы (прорывы водоводов, вибрация от транспорта, земляные и взрывные работы), резкие перепады давления на фоне обильных осадков. Как правило, исключить спусковое действие триггера невозможно, если геомассив «готов» к оползню. В качестве превентивной меры существует вариант искусственного создания условий, при которых можно спровоцировать сход оползня, заранее проведя эвакуацию и позаботившись о минимизации последствий.

Для прогноза развития оползней и контроля над этим процессом проводятся детальные геологические исследования, ведутся регистрация движения на склонах между опорными реперами, фиксирование и анализ вибраций любой природы (сейсмических, техногенных и т. п.), отслеживание уровня грунтовых вод и порового давления, геоморфологический анализ фото- и космоснимков. Если угроза признается значительной, то осуществляются специальные противооползневые мероприятия.

Успешное и грамотное осуществление всего комплекса мер по защите от оползневой опасности является важным техническим, экономическим и социальным аспектом строительства и эксплуатации объектов инфраструктуры.

Все организационно-технические методы инженерной защиты от оползней можно условно разделить на две группы.

Пассивные:

  1. Сбор статистических данных о проявлениях и последствиях опасных геологических процессов (ОГП), картирование (распределение) рисков по территории;
  2. Регулирование возможных рисков, ограничение введения в оборот земель с высокими рисками;
  3. Разработка и корректировка строительных норм и правил на основе анализа и изучения проявления ОГП;

Развитие методик распознавания угроз, оценка, картирование рисков и уязвимостей на основе мониторинга процессов и состояния сооружений с целью минимизации негативных последствий.

Активные:

  1. Изменение рельефа местности, организация стоков, перераспределение и укрепление грунтовых и скальных массивов, изменение русел;
  2. Строительство регулирующих сооружений;
  3. Строительство защитных сооружений.

И пассивные, и активные методы обычно применяются в комплексе и дополняют друг друга. Только в этом случае можно достичь максимальной эффективности в прогнозировании дальнейших событий, в стабилизации и удержании оползневого массива.

Процентное соотношение проявлений опасных процессов, по данным СНиП 22-02-2003
Процентное соотношение проявлений опасных процессов, по данным СНиП 22-02-2003

Пассивные методы защиты

Распознавание и оценка угрозы позволяют оценить ущерб от возможных последствий схода грунтовых масс. Для выявления оползневой опасности на возможно более ранней стадии необходимо провести оценку активности оползня (вычисление коэффициента устойчивости), вычислить объём и траекторию движения грунтовых масс. Для этой цели выполняются инженерно-геологические, инженерно-геодезические, гидрогеологические, гидрологические изыскания, метеонаблюдения, моделирование развития грунтовых процессов, а также мониторинг ОГП.

При проведении инженерно-геологических изысканий приоритет отдается площадным геофизическим методам исследований с глубиной зондирования до 30 м (сейсмика SUMMIT — томография, электроразведка, георадар). По выявленным аномалиям и опасным участкам производятся бурение и отбор проб. При выполнении буровых работ очень важно соблюдать методику отбора керна для лабораторных исследований: следить за сохранением естественной влажности, естественной структуры грунта, изучать свойства грунтов в обводненном состоянии, выполнять сдвиговые испытания на месте. Если при бурении встречены грунтовые воды, выполнять тщательное измерение уровня их подъема и опускания для каждого встреченного водоносного горизонта.

Мониторинг ОГП предназначен для сбора и анализа информации о состоянии геологической среды территории в полосе воздействия инфраструктуры на объекты. Это позволяет обеспечить безопасность эксплуатации инфраструктуры и проживания населения, находящегося в зонах возможного влияния оползневого процесса, сохранения экологического равновесия природных сред, предусмотренного законодательной и нормативной базой. Очень важной особенностью мониторинга является то, что он позволяет вести параллельные измерения в режиме онлайн по различным измеряемым параметрам, сопоставлять динамику развития одновременно происходящих опасных процессов, оперативно оценивать вероятность активизации ОГП. Данные собираются при помощи оборудования и датчиков, установленных в инклинометрических и гидрогеологических скважинах, экстензометров, сети геодезических реперов и марок, метеорологических станций и других устройств. Результаты измерений поступают в базу данных и отображаются в геоинформационной системе (ГИС).

Схема сбора и передачи данных от датчиков в ГИС

Совокупность пассивных методов защиты позволяет достоверно оценить реальную угрозу схода оползня и определить необходимость мероприятий по их предотвращению.

Активные методы защиты

Если вероятность возникновения оползней велика, то необходимо использовать активные методы инженерной защиты. К ним относятся мероприятия по стабилизации и удержанию оползневого массива.

Осушение и дренаж

Основным фактором провоцирования оползня является его переувлажнение. Наиболее эффективными средствами для предотвращения этого являются дренажные сооружения, перекрывающие путь поверхностным и подземным водам к оползневому массиву.

Для осушения применяют системы поверхностного стока и глубокого дренирования. Поверхностные воды отводятся канавами, подземные — штольнями или горизонтальными скважинами. Несмотря на дороговизну этих мероприятий, затраты на строительство дренажных систем значительно ниже, чем стоимость ликвидации последствий возможной катастрофы.

Системы дренажа проектируются таким образом, чтобы собрать максимально возможный объем поверхностных вод с площади и отвести его в места возможного сброса или на очистные сооружения.

При небольших объемах сбора дренажных вод используется однотрубный закрытый дренаж. Для прочистки при заиливании устанавливаются смотровые колодцы на расстоянии не более 40 м друг от друга. Для дренажа используется перфорированная гофротруба типа Корсис. Перфорация и диаметр труб выбираются в зависимости от условий сбора воды и расчетных объемов принимаемой воды. Канавы заполняются щебнем и бутом.

Однотрубный закрытый дренаж
Однотрубный закрытый дренаж

При значительных объемах дренажных вод и больших длинах водосбора используется двухтрубный дренаж. При этом вторая труба используется в качестве транзитной трубы с верхнего участка дренажа и применяется без перфорации.

Двухтрубный закрытый дренаж
Двухтрубный закрытый дренаж
Комбинированный дренаж
Комбинированный дренаж

При применении комбинированного дренажа аналогом транзитных труб являются открытые канавы. При этом исключается необходимость устройства смотровых колодцев, и одновременно канавы осуществляют сбор поверхностных вод. Однако данный метод применим в основном для склонов с достаточной крутизной.

Комбинированный дренаж
Комбинированный дренаж

При устройстве дренажей и водоотводных канав рекомендуется применять конструктивные решения, сохраняющие все свойства при совместной деформации дренажа и грунта: использовать геосинтетику и геосетки, тексбент (композитная гибкая гидроизоляция) в качестве донной гидроизоляции лотков и канав, каменное мощение для снижения скорости потока воды и защиты тексбента, гофрированные трубы.

Прокладка однотрубного дренажа
Прокладка однотрубного дренажа
Водоотводная канава/комбинированный однотрубный дренаж
Водоотводная канава/комбинированный однотрубный дренаж
Участок склона с комбинированным дренажем
Участок склона с комбинированным дренажем

Одним из наиболее дорогостоящих и сложных методов стабилизации массива является глубокое дренирование. Однако в некоторых случаях этот метод является единственно возможным. Глубокое дренирование разделяется на два типа: горизонтальная дренажная галерея и лучевой дренаж. Оба метода хороши тем, что позволяют охватить большую зону и точно определить водоносные горизонты.

Суть дренажной галереи состоит в устройстве горной выработки в виде штрека, который огибает оползневой массив в потенциальной плоскости скольжения оползня. Целью являются перехват и отвод грунтовых вод через галерею и осушение основного массива оползня.

Данный метод требует максимально точного определения зоны скольжения при инженерно-геологических исследованиях.

Схема устройства дренажной галереи
Схема устройства дренажной галереи

Метод глубокого лучевого дренажа состоит в устройстве на поверхности склона вертикальной шахты с последовательным закреплением ее стенок по мере заглубления. В местах максимального водопроявления, с учетом наклона водоносных слоев выбуриваются восходящие фильтрующие скважины. Вода по ним попадает на дно шахты, откуда отводится на поверхность склона самотеком через сквозную разгрузочную скважину. Данное сооружение является эффективным, недорогим и простым в содержании. Его преимуществом является возможность контролировать процесс дренирования, а при необходимости — добуривать или цементировать скважины.

Схема устройства лучевого дренажа
Схема устройства лучевого дренажа

Можно с уверенностью сказать, что грамотно и профессионально выполненный дренаж тела оползня, как минимум до линии скольжения, является одним из самых эффективных противооползневых мероприятий.

Уположение и/или рассечение оползневого массива на блоки

Перераспределение грунтовых масс на оползневом массиве с целью уположения и повышения устойчивости является весьма действенным методом, но требует значительных затрат и не всегда возможно из-за наличия построек и других наземных объектов. Кроме того, данные действия могут привести к развитию оползня, так как в процессе выполнения работ резко повышается водопоглощающая способность перемещенного грунта, снижается его плотность, связность и угол внутреннего трения. Это состояние может длиться несколько лет, до консолидации массива.

Схема рассекающих прорезей
Схема рассекающих прорезей

Оптимальным средством стабилизации оползневого массива в таких случаях является устройство восходящих дренажных прорезей или дренирующих контрфорсов в подошве массива, рассекающих оползневое тело. Эффективность рассечения тем выше, чем выше связность грунта.

Искусственное изменение (модификация) свойств грунта

В некоторых случаях приходится идти на радикальное изменение свойств опасного грунта, вплоть до его полной замены на привозной грунт с заданными характеристиками. Это дорогой метод, требующий дополнительных затрат на защиту от эрозии, нарезку на склоне террас для техники и последующего их укрепления.

Для стабилизации массива нередко используются пропитки грунта полимерными (акрил и т. п.), силикатными (жидкое стекло), битумными и другими составами. Метод проблематичен в экологическом плане, требует большого количества скважин малого диаметра, детальной лабораторной подборки пропитывающего состава для конкретных грунтов. Иногда возможен отрицательный эффект за счет перекрытия естественных путей дренирования подземных вод, в результате чего либо вымывается применяемый полимерный состав, либо увеличивается и перераспределяется обводненность массива.

Грунтовые откосы могут закрепляться геосинетиками. Эти современные материалы изменяют сдвиговые характеристики грунта, формирующего откос, за счет внедрения в грунт специальных тканей, решеток и сеток. Стабилизирующий эффект дает послойное армирование грунта в откосе. При применении нетканых геотканей типа Дорнит происходит также эффективный вывод влаги из массива на поверхность за счет капиллярного эффекта (фитиль).

Схема укрепления/стабилизации откоса геосинтетиками
Схема укрепления/стабилизации откоса геосинтетиками

Удержание оползневого массива

Еще одном активным методом геозащиты являются подпорные стены — разнообразные инженерные сооружения, выполняющие задачу удержания оползневого массива.

Габионные конструкции используются при незначительных объемах оползневого тела. Они экономически выгодны при возможности доставки камня с ближайших карьеров. Сооружения сохраняют свои свойства при больших деформациях до разрыва сетки.

Габионное сооружение
Габионное сооружение

Железобетонные стенки требуют достаточно точной оценки нагрузки, к их основанию предъявляются высокие требования. Для реализации требуется большое количество бетона, что отражается на стоимости конструкции.

Железобетонная стенка
Железобетонная стенка

Уголковые стенки с дополнительным креплением анкерами позволяют обойтись меньшими объемами бетона. Устойчивость стен значительно увеличивается за счет их крепления грунтовыми анкерами.

Уголковые стенки с дополнительным креплением анкерами
Уголковые стенки с дополнительным креплением анкерами

Железобетонные подпорные стенки на свайном основании позволяют закрепиться в прочных грунтах на большой глубине. Основной недостаток — высокая стоимость.

Железобетонная подпорная стенка на свайном основании
Железобетонная подпорная стенка на свайном основании

Подпорные стенки на буронабивных сваях имеют преимущество за счет использования второго ряда свай, что резко увеличивает их несущую способность. Отличаются высокой стоимостью и длительным сроком возведения.

Подпорная стенка на буронабивных сваях
Подпорная стенка на буронабивных сваях

Практика строительства и эксплуатации подпорных стен позволяет сделать вывод, что железобетонные стенки хорошо работают на свайном основании или в случае опоры на прочное (скальное) основание. На слабых грунтах, подверженных размыву, риски перенапряжения под подошвой довольно велики за счет вымывания опорного грунта и локального возрастания удельного давления на грунт, превышающего его допустимое значение. Жестким конструкциям свойственна пониженная сейсмостойкость по причине распространения в них сейсмического воздействия без поглощения и потерь до наиболее слабого места, которое разрушается в первую очередь.

Кроме того, слепая вера в прочность железобетона без правильной оценки величины и распределения нагрузок от грунта приводит к серьезным деформациям и разрушениям конструкций, восстановление которых, как правило, дороже строительства новых.

На слабых основаниях предпочтительнее применять гибкие системы типа габионов или армогрунтовых и комбинированных конструкций.

Пример армогрунтовой стенки
Пример армогрунтовой стенки

В последние 10–15 лет появилась масса новых решений, конструкций и материалов для укрепления откосов при минимальной подрезке склона. Особую роль играют высокопрочные полимерные и металлические сетки и геоткани, обладающие повышенной коррозионной и атмосферной стойкостью. Сама технология их возведения требует значительно меньших подрезок склона, позволяет эффективно пропускать воду, использовать местный грунт.

Габионы с анкерным полотном (зеленый «Террамеш»)
Габионы с анкерным полотном (зеленый «Террамеш»)
Армогрунтовая стена на железнодорожной станции «Альпика-Сервис» («Красная Поляна»).
Армогрунтовая стена на железнодорожной станции «Альпика-Сервис» («Красная Поляна»)

В предыдущем номере журнала «Инженерная защита» мы подробно рассказали о технологии укрепления склонов Терре Арме. Это комплекс технических и технологических средств и материалов, позволяющих решать широкий круг задач по устройству прислоненных и отдельно стоящих насыпей, террас, дамб, мостовых устоев с использованием армированных грунтовых массивов с легкой внешней облицовочной стенкой из ж/б или металлической решетчатой панели. Важными преимуществами являются отсутствие консольных нагрузок, высокая дренирующая способность лицевой стенки, распределение и снижение напряжений по всей высоте грунтового массива.

Схема устройства подпорной стенки по технологии Терре Арме
Схема устройства подпорной стенки по технологии Терре Арме

Ограждающая стенка притягивается к полотну дороги или откоса регулярными тягами, расположенными по всей высоте и длине сооружения. Уплотненная обратная засыпка обжимает тяги со значительным трением, которое обеспечивает их прочную заделку в теле насыпи или откосе склона. Тяги изготавливаются из прочных материалов, стойких к коррозии (гальванизированная сталь или полимеры).

Застенное пространство вертикальной или ступенчатой ограждающей стенки заполняется армированным грунтом. Это позволяет распределять удерживающие усилия по высоте сооружения и выдерживать значительные динамические и статические нагрузки.

Технология Терре Арме позволяет сократить стоимость и сроки за счет использования элементов заводской готовности, доступной дорожной техники, местных грунтов. Конструкции сохраняют высокую надежность в условиях сейсмической активности, подтопления и вечной мерзлоты. Конструкции Терре Арме отлично подходят для строительства в условиях тесной городской застройки, а также для строительства мостов, насыпей, подпорных стен и водопропусков. Панели имеют привлекательный внешний вид, и есть возможность реализовать практически любое архитектурное решение.

Подпорная стенка Терре Арме на участке совмещенной автомобильной и железной дороги «Адлер — Горноклиматический курорт “Альпика-Сервис”»
Подпорная стенка Терре Арме на участке совмещенной автомобильной и железной дороги «Адлер — Горноклиматический курорт “Альпика-Сервис”»

Технология Терре Арме широко применяется в мире при строительстве мостов, автомагистралей и дорог, железных дорог, при устройстве территории промышленных объектов, защитных ограждений, общественных зданий и сооружений, возведении водных заграждений и дамб, сборных конструкций и сходов, а также как планировочное решение в условиях пересеченной местности и городской застройки.

Еще одна интересная технология укрепления склона — система Крайнерванд (Krainerwand, словенская стенка). Это система армирования и стабилизации откосов путем устройства каркаса, внедренного в откосную часть массива. Исторически система впервые была применена в Словении в местечке Крань — отсюда и название. Исходным материалом каркаса были бревна, современные материалы – железобетон и металл.

Схема устройства стенки Крайнерванд
Схема устройства стенки Крайнерванд
Армированные склоны засеиваются многолетними травами, которые дополнительно укрепляют поверхностный слой грунта
Армированные склоны засеиваются многолетними травами, которые дополнительно укрепляют поверхностный слой грунта

Прислоненные террасы для прокладки сетей в низовом откосе (решетчатая металлическая панель, анкерное крепление к склону) позволяют с минимальными затратами закрепить склон, имеют привлекательный внешний вид и не требуют много времени для установки.

Анкеры как противооползневая защита

Анкерная технология является одной из самых эффективных мер для закрепления оползневых склонов. Применяется как средство армирования грунтового массива с одновременным притягиванием армируемой структуры к склону, повышая устойчивость грунтового массива.

На практике в основном применяются буроинъекционные анкеры (производители — ARCO, IRCHEBECK, DIVIDAG), а также забивные анкеры MANTA RAY.

Механическая стабилизация грунтового массива достигается за счет создания локального сопротивления сдвигу железобетонными стержнями. В результате в грунте образуются участки с повышенными механическими характеристиками, т. е. происходит армирование в объеме.

Расчет нагельного поля осуществляется за счет подбора диаметра и прочности стержней анкеров, плотности их распределения по склону, глубины заделки, диаметра ствола скважины, а также наклона анкера и усилия преднапряжения.

Схема устройства анкеров
Схема устройства анкеров

Так как анкеры имеют точечное распределение по участку, для обеспечения необходимого среднего давления на грунт и передачи на него усилия анкера применяются высокопрочные металлические сетки, бетонные и металлические балки, линейные тросы или их комбинации.

Для повышения эффективности анкеров можно комбинировать диагональные связи из высокопрочных тросов с покровной полимерной или металлической сеткой для механического объединения всех анкеров в единую систему. Можно одновременно применять покровную сетку с минимальной деформационной способностью в направлении основных нагрузок, а для передачи усилий анкера на максимальную площадь грунта использовать железобетонные, металлические или деревянные балки. «Вжимание» покровной сетки и тросов в грунт по оси анкера позволит распределить напряжение в системе «грунт-поверхность-анкер».

Пример анкерного закрепления склонов
Пример анкерного закрепления склонов

Буроинъекционные анкеры имеют недостаточную эффективность во влажных, песчаных, дресвяных слабосвязанных грунтах, когда цементация в теле скважины не дает достаточного сцепления со стенками. Приходится либо забуриваться на большие глубины, либо делать пучок анкеров с малой несущей способностью, объединяя на восприятие точечной нагрузки. Это удорожает работы и не всегда приводит к цели.

В этих случаях хорошей альтернативой являются самораскрывающиеся анкеры американской фирмы FORESIGHT. Грунтовые анкеры Duckbill, Manta Ray и Stingray — это своеобразные самораскрывающиеся грунтовые «якоря».

Схема установки анкеров Manta Ray (Sting Ray)
Схема установки анкеров Manta Ray (Sting Ray)

Они состоят из погружаемых в землю пластин особой формы, способных оказывать сопротивление растягивающим нагрузкам, анкерных тяг и соединительных элементов. После погружения анкеров на заданную глубину забивающий инструмент, именуемый «стальным стержнем», вынимается. Затем анкер раскрывается в грунте (опрокидывается, взводится) из сложенного положения таким образом, что его пластина становится несущей поверхностью (якорем), которая работает как «плита в грунте». При этом он тестируется с помощью анкерного нагрузочного механизма. Этот процесс называется «фиксацией под нагрузкой» и является немедленным испытанием для каждого анкера.

Анкеры сконструированы для погружения в грунт под любым углом от вертикального до горизонтального. Заостренные направляющие кромки и звездочка в вершине помогают фронтальным частям анкера с малым поперечным сечением пробиться через плотные слои грунта.

Анкеры Manta Ray (Sting Ray) прекрасно зарекомендовали себя в иловых и песчаных (в том числе сильнообводненных) грунтах, в перемолотых аргиллитах в районе Красной Поляны.

Прочность заделки анкера в грунте создается не за счет сил трения цементного стержня и стенок скважины, а за счет сопротивления грунта смятию на значительной глубине. Это позволяет работать в условиях малых глубин установки анкера, располагать их в любом положении для обеспечения осевой нагрузки. Важной особенностью является то, что процесс «взведения» анкера в рабочее положение осуществляется гидравлическим инструментом (домкратом), который измеряет реальное сопротивление на вырывание. То есть несущая способность анкера известна уже в процессе установки.

Другие способы укрепления оползневых откосов

Торкретирование представляет собой струйное нанесение бетонной смеси на поверхность откоса. Как правило, до торкретирования на поверхность склона монтируется арматурная сетка с анкерным креплением к склону. Затем происходит набрызг бетона, в результате чего возникает прочная система «грунт-арматура-бетон», которая противостоит механическим нагрузкам и эрозии.

Нанесение бетонной смеси при торкетировании
Нанесение бетонной смеси при торкетировании

Ячеистое бетонирование откосов склонов и канав — это тип противооползневой защиты, при котором в качестве армирующих ячеек используется полимерная георешетка «ПРУДОН», закрепляющаяся на откосе забивными анкерами. Ячейки георешетки заполняются плотным бетоном, создавая гибкую защитную структуру на поверхности.

Георешетка «ПРУДОН»
Георешетка «ПРУДОН»

Зонтичные системы INCOFIL состоят из фронтального сетчатого экрана с системой стальных траверс, образующих косой «андреевский» крест, и центральной тяги, которая допускает ограниченные повороты элементов и соединяет собственно барьер с анкерной системой. Последняя может быть различных типов в зависимости от требований проекта. Барьерная система дополнена канатными растяжками, соединяющими ее элементы с анкеровкой.

Зонтичные системы INCOFIL
Зонтичные системы INCOFIL

Изначально INCOFIL были разработаны как системы для задержки снега. Однако их можно применять также и для укрепления оползневых откосов. Примеры использования в геомассиве представлены на фото.

Заключение

Стоимость систем инженерной защиты может значительно превышать стоимость возводимых на территории объектов. Однако нельзя недооценивать необходимость инженерной защиты и тем более отказываться от нее вообще.

При проектировании защитных сооружений для оползневых массивов необходимо исходить из экономической целесообразности и прорабатывать все варианты, не отдавая предпочтения лишь хорошо известным по расчету бетонным конструкциям.

Выбрав рациональное решение, можно значительно сократить материальные затраты, сроки строительства и повысить эффективность систем инженерной защиты.

Тимур Кудакаев

Генеральный директор
ООО «Алькомп-Европа»