Борьба с камнепадами в Приморском крае средствами инженерной защиты

Авторы:
Евгений Коновалов
Инженер-технолог проектного направления Инженерная защита ЗАО “Росинжиниринг”
Аспирант Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС)
Семен Себро
Инженер-технолог проектного направления Инженерная защита ЗАО “Росинжиниринг”

Для Приморского края в силу особенностей его природного рельефа крайне характерны оползневые процессы, что значительно затрудняет дорожное строительство. Передовым средством борьбы с оползнями является внедрение защитных сетей, к числу которых относится система Mighty Net.

Приморский край занимает юго-восточную окраину территории Российской Федерации, располагающуюся в южной части Дальнего Востока, на берегу Японского моря.

Горный рельеф Приморья занимает две трети всей территории и представлен горной системой Сихотэ-Алинь и отрогами Восточно-Маньчжурской горной системы, и одна треть территории представлена равнинами, включающими Западно-Приморскую и узкую равнинную полосу вдоль побережья.

Среднегорный хребет Сихотэ-Алинь (средние абсолютные высоты — 500–1000 м; относительные превышения — 200-400 м; максимальные отметки: г. Облачная — 1855 м и г. Аник — 1933 м) разделяет бассейны Японского и Охотского морей. Горные хребты с округлыми вершинами и пологими склонами подчеркивают широкое развитие купольных структур, сформированных внедрением магм и вулканическими извержениями в позднем мелу — раннем палеогене. По линии главного водораздела Сихотэ-Алинская горная область делится на Япономорский (восточный и южный) и Уссури-ханкайский (западный) макросклоны, которые отличаются друг от друга по строению рельефа и природно-климатическим факторам. В основном это вызвано как различием геолого-тектонического плана, так и преимущественным распространением на восточном склоне циркуляции переувлажненных холодных воздушных масс. Последние поступают с Охотского и Японского морей в весенний — раннелетний период, а в осенне-зимний — наоборот, преобладают относительно теплые, но также влажные воздушные массы.

Для Япономорского макросклона характерно повсеместное распространение обвальных, осыпных и оползневых процессов, эрозионных и абразионных обрывов. Часты крутые русла водотоков, развиты горный аллювий, пролювий и накопления катастрофических селевых потоков. В северной части расположены Самаргинское и Зевинское, а в южной — Артемовское базальтовые плато. В их пределах развиты плоские, столообразные водоразделы, где в западинах часто образуются верховые болота. Большие пространства покрыты лиственничными лесами с торфянистыми и торфянисто-глеевыми переувлажненными почвами. Последние сформированы на площадной и линейной глинистой корах выветривания. Краевые части плато изрезаны узкими речными долинами.

Уссури-Ханкайский макросклон морфологически подразделяется на Центральный и Западный Сихотэ-Алинь. К этой части горной области приурочены наиболее возвышенные участки массивного среднегорья с абсолютными обметками до 1850 м и превышениями 150–300 м. Реки крутые, горные с порогами и перекатами. Крутизна склонов здесь меньше, чем на восточном макросклоне, но обвально-осыпные явления, эрозия, оползни и солифлюкция проявлены также достаточно сильно.

Восточно-Маньчжурское нагорье заходит в пределы Приморского края своей восточной составляющей и делится на три части: Пограничный и Хасанско-Барабашский горные районы, а также Борисовское базальтовое плато. Пограничный район представляет собой систему невысоких (абсолютные отметки — 600–800 м, относительные — 200–500 м) горных хребтов, которые по направлению к озеру Хасан понижаются, переходя в холмисто-увалистую равнину. При этом ориентировка водоразделов зачастую дугообразная и радиальная относительно центра оз. Хасан; она подчеркивает форму одноименной кольцевой структуры. В Хасанско-Барабашском районе абсолютные отметки (900–1000 м) и относительные превышения (300–600 м) заметно выше. Основной горный хребет “Черные горы” выгнут дугой к Амурскому заливу. Долины большинства водотоков открыты южным и юго-восточным влажным морским ветрам, что и накладывает своеобразный отпечаток на климат, растительность и почвы. Русла рек перегружены аллювием, количество которого возрастает в нижнем течении как за счет общего растяжения и погружения земной коры по краю континента, так и за счет накопления катастрофических паводков.

Обвально-осыпные процессы на естественных склонах образуются за счет ослабления связанности горных пород под влиянием процессов выветривания, воздействия поверхностных и подземных вод под действием силы тяжести. Непосредственными причинами образования данных процессов могут быть: толчки при землетрясениях, порывы ветра, подрезка нижней части осыпи, падение вышележащих обломков, а также сотрясения при производстве строительных работ. Обвалы, как правило, образуются на склонах крутизной свыше 45°, тогда как крутизна склонов, образующих осыпи составляет 30°. Осыпи в отличие от обвалов характеризуются меньшими скоростями и более мелкими фракциями обломочного материала. После обвалов и осыпей у подножий скапливаются массы обломков (могут также накапливаться и на склонах), формируя конусы и шлейфы разной мощности и площади, состоящие из глыб и обломков различного размера.

Зачастую современные обвалы и осыпи образуются за счет антропогенного влияния, в частности при подрезке крутых склонов.

В результате строительства объектов в горной местности активизируются склоновые процессы, которые затрудняют как сам процесс строительства, так и его эксплуатацию. Активизация склоновых процессов происходит вдоль многочисленных горных дорог, что препятствует безопасному и бесперебойному движению транспорта.

Помимо разрушения зданий и сооружений обвально-осыпные процессы приводят к перекрытию русел рек, с последующими негативными последствиями. Многообразие причин, вызывающих такие природные явления, делает невозможным обеспечение гарантированной безопасности для людей или материальных ценностей при помощи научных методов.

Для борьбы с обвально-осыпными процессами существует многочисленное количество мероприятий, зависящих от экономической эффективности, ответственности зданий и сооружений, геоморфологических особенностей. Основными способами защитных мер являются:

1. Оборка склонов от лежащих свободно или потенциально неустойчивых камней;
2. Устройство улавливающих сооружений (берм, подпорных стен, барьеров);
3. Сооружение галерей и тоннелей;
4. Закрепление неустойчивых камней.

Передовые противообвальные системы имеют увеличенную прочность, усиленную защиту от коррозии, относительно малый вес, что позволяет использовать легкую технику

Одной из таких систем является система Rope Net японской компании TOKYO ROPE MFG.CO., LTD., которая находит все большее применение на российских объектах на участках подверженных обвальным процессам, а совместно с высокопрочной сетью (система Mighty Net) и на участках с оползневой опасностью.

Канатно-анкерная система Rope Net фиксирует свободно лежащие камни, обеспечивая укрепление склона. Система представляет собой сеть из стальных канатов, плотно прилегающих к склону и закрепляемых на склоне анкерами. Сеть формируется непосредственно на склоне, поэтому их прокладка в большинстве случаев не требует вырубки деревьев. Для предотвращения вывала рыхлых пород и осыпей, возможно применение совместно с канатами стальной высокопрочной сети (Mighty Net), удерживающей мелкие камни. Система Mighty Net совместно с грунтовыми анкерами предотвращает сползание неустойчивых масс грунтов (оползневых массивов) и представляет собой канатно-сетчатую анкерную систему.Работы по закреплению склона системой Rope Net, как правило, ведутся с применением методов промышленного альпинизма ручными инструментами.

Для достижения максимальной эффективности защитных сооружений необходимо проведение всего технологического цикла работ по обследованию, оценке, проектированию, а также качественного монтажа.

По опыту производства работ по инженерной защите олимпийских объектов и автомобильных дорог, стоит отметить частое возникновение трудностей у проектировщиков и строителей, связанных с применением уникальных технологий и систем на территории Российской Федерации

При выполнении проектных работ невозможно учесть многочисленные нюансы. Так, например, при проектировании защиты от камнепадов системой Rope Net невозможно учесть рельеф скального массива со всеми выступами и впадинами, в связи с этим возникает проблема в определении точного объема материалов без выезда на местность.

Методология расчета элементов системы Rope Net

Расчет цементного анкера

1. Анализ сдвигающего усилия

На цементный анкер оказывает воздействие сдвигающее усилие; допустимая нагрузка на анкер рассчитывается, исходя из полезной площади сечения резьбовой части.

Допустимое напряжение сдвига:

σ_a — допустимая растягивающая нагрузка стали, Н/мм²

Допустимое сдвигающее усилие:

τ_a=A・f_s,

A — полезная площадь сечения анкера, мм²

2. Анализ выдергивающей силы

Как указано в п. 1), на цементный анкер оказывает воздействие сдвигающее усилие, поэтому необходимо провести вычисления для случая, если данное усилие будет направлено в сторону выдергивающей силы, действующей на анкер. Учитывая рельеф скальной поверхности, и наличие диагонального среза концевой части анкера, эффективная длина анкера La составляет 90% от общей длины заделанной части анкера.

Допустимая тяговая сила:

f_a=A・σ_a

Cила сцепления R₁ между скальным грунтом и строительным раствором (цементной капсулой):

R₁=π・d_a・τ₁・L_a,

d_a — диаметр отверстия, мм;

τ₁ — поверхностное сопротивление трению, Н/мм₂

Сила сцепления R₂ анкера (арматурного стержня) и строительного раствора (цементной капсулы):

R₂= l・τ₂・L_a,

l — номинальный периметр анкерного арматурного стержня, мм;

τ₂ — допустимое напряжение сцепления арматурного стержня, Н/мм₂

Расчет стального каната

Допустимая нагрузка на стальной канат составляет 1\3 разрывного усилия:

TR_a=TR・1\3,

TR — разрывное усилие используемого стального каната, кН

1. Нагрузка, действующая на вертикальный канат

На вертикальный канат нагрузка от падающих камней воздействует параллельно поверхности склона:

W_a=K・W,

W=W₁+W₂, кН;

W₁ — нагрузка от падающих камней (на плошать ячейки основных канатов), кН;

W₂ — вес сети, кН;

K — поправочный коэффициент уклона.

2. Натяжение, оказывающее воздействие на горизонтальный канат

Горизонтальный канат обеспечивает равномерное распределение направленной параллельно склону нагрузки от падающих камней.

T=(w・L²) / (8・f),

w — равномерное распределение нагрузки, кН;

L — расстояние между вертикальными канатами, м;

f — величина провисания (10% от расстояния между вертикальными канатами).

Выводы

Обвально-осыпные процессы проявляются на значительной территории Приморского края, особенно часто возникают на автомобильных и железных дорогах, где при строительстве был затронут естественный рельеф. Отмечаются неоднократные случаи попадания автомобилистов под камнепад (например, Трасса «Пос. Новый — полуостров Де-Фриз — Седанка — бухта Патрокл», прославившаяся на всю страну несколькими случаями обрушений). Для недопущения активизации обвальных процессов необходимы мероприятия по защите территорий, зданий, сооружений, транспортных инфраструктур от опасных геологических процессов, в частности от обвалов и осыпей. Одним из эффективных способов такой защиты является канатно-анкерная система, способная фиксировать подвижные камни на отлогих склонах, закреплять потенциально опасные склоны, при этом не нанося вред окружающей среде.

Ближайший крупный объект, реализуемый в Приморском крае, со своей транспортной инфраструктурой — совместный проект «Росинжинринга» и «Порт «Вера», строительство крупного морского перегрузочного терминала «Порт «Вера».

При реализации проекта строительства угольного морского терминала «Порт «Вера» в Приморском крае могут возникнуть проблемы с обвально-осыпными процессами, ввиду того, что планируется построить объекты портовой, транспортной и инженерной инфраструктуры, в том числе выполняется реконструкция существующей железнодорожной линии Смоляниново — Дунай, строительство новых подъездов автомобильных и железных дорог к терминалу. Поэтому комплексный подход к защите транспортной инфраструктуры от опасных геологических процессов является основой для предотвращения негативных последствий при строительстве в горной местности.

Сотрудничая с компанией TOKYO ROPE MFG.CO., LTD., «Росинжиниринг» произвела работы по закрепления 22 125 м² неустойчивых скальных массивов системой Rope Net и около 150 000 м² неустойчивых склонов.

Источники:

1. Приморский край. Под ред. Л.Н. Зельцмана. Приморское книжное издательство, Владивосток. — 1987.
2. Приморский край. Под ред. М.А. Мясникова. Тихоокеанский Институт Географии. — 1998.
3. Большая Советская Энциклопедия. — 1985.

Евгений Коновалов

Связаться Евгений Коновалов

Главный технолог проектного направления Инженерная защита ЗАО «РОСИНЖИНИРИНГ»
Аспирант Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС)