• Сегодня: Четверг, Ноябрь 23, 2017

Сели и селезащита

Сели и селезащита

Автор:
Александр Кривцов
Генеральный директор журнала «Инженерная защита»
Михаил Морозов
Кандидат геолого-минералогических наук, доцент


Горные страны, влекущие нас целительным воздухом, видами, курортами и романтикой, на темную сторону своей медали поместили обвалы, оползни, лавины и конечно же сели, или муры, – водно-грязевые или грязекаменные потоки, возникающие при резком насыщении почвы влагой и внезапном росте питания ручьев и рек.

Причиной возникновения селя чаще всего являются ливневые дожди, но также и таяние снега, землетрясения, прорывы ледниковых озер, а в районах вулканической активности «спусковым крючком» катастрофы порой становится внезапное таяние ледника под воздействием вулканического тепла или извержения. Возникновение селевого потока не всегда предсказуемо и часто происходит внезапно.

Сели и селезащита
Сель по долине реки Актру (Алтай)

Скорость селя достигает 5–10 метров в секунду, он переносит обломки диаметром до 3–4 метров (до 100–200 т весом). В отечественной классификации гигантским считается сель, объем единовременного выноса которого превышает 10 млн кубометров. Катастрофические по масштабам сели сходили в Казахстане (1921 г., пострадало 7% населения Алма-Аты), Колумбии (1985 г., 20 тыс. жертв), Венесуэле (2000 г., тысяча погибших, 15 000 остались без крова), Гватемале (2005 г., до 3 тысяч погибших и пропавших без вести), Китае и других горных регионах мира. Крупные селевые явления обладают вековой периодичностью, полностью устранить их невозможно.

Свойства конкретного селевого потока зависят от его состава и плотности, которая может достигать средней плотности горных пород (2,5 т/м3). Характер движения воднокаменных селей ламинарный, т.е. аналогичен движению водных потоков: разные его слои движутся с разной скоростью, а распределение частиц по глубине неодинаково (обломки движутся в нижней части потока). Движение грязекаменных селей турбулентно: они однородны, имею большую вязкость и движутся не по законам гидравлики, а как вязкопластичные смеси (бетонный раствор).

Сели и селезащита
Последствия селя в провинции Ганьсу, Китай

Для формирования селя в районах с сильно пересеченным горным рельефом достаточно суточного количества осадков 13–20 мм. На территориях с более низким рельефом требуется большее «вливание» осадков. Помимо форм рельефа на формирование селя сильно влияют дренажные свойства грунтов и источников их обводнения. Так, на Тянь-Шане, Забайкалье и Дальнем Востоке для появления селя достаточно 30–40 мм осадков в день. При этом суточные максимумы осадков в данных районах достигают значений в 1,5–5 раз больших, что превращает удобные для схода селей горные долины в мины замедленного действия, которые могут «сработать» практически в любой момент. Поэтому первым средством предупреждения селей становится карта прогноза селевых процессов.

Грязекаменный материал составляет до 75% селя, поэтому его воздействие на встреченные препятствия одновременно имеет черты наводнения (статическая нагрузка), внезапного водного потока (динамическая нагрузка) и камнепада или обвала (пульсационный характер).


Главной «слабостью» селя является его зависимость от рельефа: сель движется по руслам постоянных или временных водных потоков


Подобно водным потокам или оползням он имеет «область питания» – территорию, с которой происходит смыв рыхлых отложений и собирание водных потоков в один. Соответственно и борьба с селями производится по трем направлениям: 1) сокращение размера потенциальной области питания селя, 2) инженерная корректировка направления движения селевого потока, 3) понижение разрушительной силы потока. Эти направления, а особенно второе и третье, взаимосвязаны, поэтому инженерное обеспечение селевой безопасности является примером комплексной многоступенчатой инженерной защиты территорий.

Сели и селезащита
Селезадерживающая плотина с пятью пропускными отверстиями (Трюбенбах, Каринтия, Австрия)

Хозяйственная деятельность человека, сокращающая лесные массивы на горных склонах, к сожалению, является одной из причин распространения селевых явлений. Голые склоны, не сдерживаемые растительностью рыхлые отложения, отсутствие препятствий, замедляющих водные потоки и мешающих им быстро формировать русла, создают удобную для селя обстановку. Поэтому первое направление инженерной защиты от селей состоит в преобразовании горных склонов в более селебезопасные. Для этого укрепляют грунты и создают лесные насаждения.

Сели и селезащита

Классические сооружения, препятствующиt появлению селей, делятся на два класса: стабилизирующие (каскады запруд, подпорные стены, дренажные устройства, террасирование склонов, агролесомелиорация) и селепредотвращающие (регулирующие паводок плотины, водосбросы на озерных перемычках).

Средства инженерной защиты на путях вероятного схода селей представляют собой селепропускные сооружения (каналы, селеспуски, мосты), селенаправляющие и ограждающие дамбы и селезадерживающие водосбросные и сквозные плотины. Их задача – отвести «разбушевавшийся», т.е. превосходящий свою нормальную интенсивность, поток в сторону от населенных пунктов и объектов хозяйственной деятельности человека, ослабить энергию потока («преградить ему путь»), рассредоточить массу потока. Сооружения могут строиться из железобетона, бетона, камня и даже грунтовых материалов.

Сели и селезащитаКлассические противоселевые сооружения принимают на себя большую долю удара стихии, что является их недостатком: они подвержены разрушению, в т. ч. внезапному, и неуклонно изнашиваются. При этом именно в силу высоких требований по защите они представляют собой масштабные сооружения, которые не могут быстро или регулярно заменяться или перестраиваться.
Для «точечного» пропуска селя, например через дорогу, канал, газопровод или иной линейный объект, достаточен укрепленный селеспуск (при этом недопустимо использование труб, которые могут быть легко замурованы грязекаменным материалом селя). В случае площадных объектов (населенный пункт, предприятие) необходимо строительство канала для направления селя через объект либо для его отвода в сторону. Критическим здесь является угол разворота между динамической осью селя и осью селепропускного сооружения: превышение критического расхождения в восемь градусов может превратить канал в дамбу, которая принимает на себя энергию селя и может разрушиться либо иметь недостаточную высоту. На входных участках сооружений высота стен сооружений должна превышать глубину селя минимум в полтора раза, а ниже по ходу движения селя – по крайней мере на 20%.

Одним из инновационных решений в области защиты от селей стало внедрение сквозных заграждений из стальных стержней или сеток, которые позволили разделить общую задачу борьбы с селем на отдельные проблемы, которые могут решаться «малой кровью».

Сели и селезащита
Объемное стержневое заграждение

Сквозные заграждения принимают на себя механическое воздействие обломочной части селевого материала


При этом крупность задерживаемого обломочного материала выбирается непосредственно человеком, поскольку определяется размером ячеи. Прошедший сквозь барьер поток устремляется вниз ослабленным и обедненным наиболее крупными обломками, что снижает воздействие на следующие барьеры. Таким образом, с введением сквозных заграждений небольшого размера, расположенных в местах зарождения селей, впервые появилась возможность поэтапно «отбирать» у селя его разрушительную силу и, по сути, программировать характер его ослабевания по мере распространения вниз по руслу. Важна и простота установки сеточного заграждения в сравнении со стационарным бетонным барьером, а значит, снимается острота проблем при замене или ремонте изношенной конструкции.

Сели и селезащита
Сетка из колец ROCCO® и кольца амортизаторы

Установка гибких сквозных заграждений на основе сеток позволяет минимизировать расходы на инженерные мероприятия при создании разветвленной системы защиты большой территории. Сквозные заграждения могут устанавливаться каскадами и ослаблять потоки в областях их формирования на уровнях выше точек соединения потоков в один, более разрушительный поток, который сложнее остановить. Фактически, грамотному размещению селезащитных сооружений предшествует динамическое моделирование всего горного склона с учетом скоростей движения потоков, количества переносимого ими материала и направлений возможного перемещения обломочной массы.


Несомненным мировым лидером в строительстве селезащитных гибких барьеров стала швейцарская компания Geobrugg


Успешность инженерных решений Geobrugg основана на трех основных аспектах: использование современных материалов, математическое моделирование и натурные масштабные испытания.

Отправной точкой решений Geobrugg стала высокопрочная стальная проволока. Она характеризуется высокой устойчивостью на срез, отличными энергопоглощающими свойствами и долголетием при минимальном обслуживании. Это позволило фирме установить мировые рекорды: например, задержать 20-тонный бетонный блок, падающий на скорости 103 км/ч! Благодаря технологии антикоррозийного покрытия GEOBRUGG SUPERCOATING® и алюмо-цинковому покрытию последнего поколения GEOBRUGG ULTRACOATING® конструкции служат в шесть-десять раза дольше, чем просто оцинкованные.

Сели и селезащита
Противоселевой барьер в русле ручья Грёнбах в Мерлигене

Geobrugg совместно с WSL разработал две компьютерные программы, позволяющие рассчитать требуемые параметры барьеров в зависимости от характеристик селевого потока и рельефа. Бесплатно распространяемая программа DEBFLOW позволяет производить расчеты для определения реакции и взаимодействия всех компонентов противоселевых барьеров. Программа основана на десятках натурных испытаний в масштабе 1:1 и результатах лабораторных исследований.

Сели и селезащита
Сквозное противоселевое заграждение на основе сетки

Программный комплекс FARO предназначен для моделирования противоселевых систем. С помощью этой программы можно моделировать воздействие на барьер не только селей, но и камнепадов, лавин и снежных оползней.

Характеристики защитных систем Geobrugg не только рассчитываются на компьютере. Фирма тестирует конструкции на ударопрочность и прочность на разрыв в соответствии с самыми строгими нормативами в масштабе 1:1. При этом заявленные параметры всех компонентов систем регулярно проверяются в тестах независимых институтов.

Самый большой гибкий селезащитный барьер в Швейцарии был смонтирован фирмой Geobrugg в русле горного ручья Хюпбах в долине Зимменталь. В девяностые годы после сильных ливней по руслу Хюпбах сходили мелкие оползни и селевые потоки, которые иногда блокировали шоссе и даже железную дорогу в Обервиле. Чтобы исключить возможность неприятностей в будущем, Техническая служба Обервиля спланировала установку двух гибких систем задержания. Стоимость строительства в 2,5 млн швейцарских франков была покрыта правительством и кантоном Берн. Система рассчитана на трехсотлетнюю службу!

Параметры противоселевого барьера:

  • ширина до 40 м
  • высота h=14 м
  • пиковая нагрузка (вода и грязекаменный материал): 350 м3
  • расчетный объем первой волны селя: V=5000 м3
  • наклон русла ручья: 25%
  • объем задерживаемого селя: 13 000 м3

Еще одна интересная система была установлена в 2013 году в русле ручья Грёнбах в Мерлигене. Система предназначена для защиты от селей и завалов сплавного леса. Расчетный объем задержания приблизительно 12 000 м3.

Параметры противоселевого барьера:

  • высота барьера — 6,5 м
  • Площадь: 110,5 м2

Несмотря на то что сели по-прежнему остаются чрезвычайно грозным явлением природы, у человечества накопился серьезный опыт борьбы с ними и защиты населенных районов. Многообразие приемов ослабления селевых потоков, отведения их в безопасное русло, постоянное совершенствование технологий и использование новых материалов позволяет надеяться, что урон от этого стихийного бедствия будет уменьшаться с каждым годом.

Александр Кривцов

territory.engineering@gmail.com

 _____

Генеральный директор журнала "Инженерная защита"