Автореферат - Московский государственный университет

На правах рукописи
Багин Андрей Владимирович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛЕДОВЫХ
ОБРАЗОВАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ИЗ ГАБИОНОВ
Специальность 05.23.07 – «Гидротехническое строительство»
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный
университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП) на кафедре «Гидравлика и
инженерная гидрология»
Научный руководитель:
Козлов Дмитрий Вячеславович
Доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Иванов Игорь Алексеевич
Доктор технических наук, доцент
Верхоглядов Андрей Александрович
Кандидат технических наук, доцент
Ведущая
организация:
Всероссийский
научно-исследовательский
институт
гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии)
Защита состоится «21» мая 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета
Д
220.045.02 при Московском государственном университете природообустройства по адресу:
127550, г. Москва, улица Прянишникова, д.19, 2 этаж, аудитория 201 (тел. +7 499 9762962,
факс +7 499 9761046, website: www.msuee.ru, e-mail: mailbox@msuee.ru)
С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО
МГУП. Автореферат размещен на официальном сайте Министерства образования РФ
vak2.ed.gov.ru и выслан на адрес электронной почты referat_vak@obrnadzor.gov.ru
Автореферат разослан «…...» апреля 2012 года
Ученый секретарь диссертационного совета,
Кандидат технических наук, доцент
И.М. Евдокимова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. Обеспечение национальных водной,
энергетической и транспортной стратегий Российской Федерации на период до 2020 года,
утвержденных распоряжениями Правительства РФ, связано с дальнейшим развитием
топливно-добывающей
промышленности,
гидротехнического,
транспортного
и
энергетического строительства в северных, сибирских и дальневосточных регионах страны,
как правило, отличающихся от европейской территории России достаточно суровым
климатом и большим количеством водных объектов. Экономическое освоение и
обустройство этих территорий потребовали решения целого ряда инженерно-технических
задач, связанных с проектированием, строительством и реконструкцией гидротехнических,
транспортных и защитных сооружений на водных объектах со сложными ледовыми
условиями.
Ледовые условия на большинстве водных объектов России создают значительные
трудности для эксплуатации существующих на них сооружений. Как правило, конструкции
этих сооружений подвергаются воздействию статического и динамического давления льда,
истирающему воздействию ледохода, выворачиванию отдельных частей массива
сооружения, смерзшегося с ледяным покровом при изменении уровня воды.
Аналогичным воздействиям подвергаются и конструкции сооружений, выполненные
с использованием габионов (в т.ч. матрасов Рено, системы Террамеш), которые все шире
применяются
отечественной
строительной
индустрией
при
выполнении
берегоукрепительных работ, защиты русел рек, различных противооползневых и
противоэрозионных мероприятий, а также в других областях строительства.
Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании существующих и
разработке новых подходов обследования и расчета надежности гидротехнических
сооружений из габионов вертикального и откосного типов, работающих в условиях ледовых
нагрузок. В свою очередь, это необходимо для обеспечения рационального проектирования
ледостойких конструкций из габионов, эффективного мониторинга построенных сооружений
и разработки мероприятий по обеспечению безопасной эксплуатации сооружений из
габионов, подверженных воздействию льда.
Достижение поставленной цели предполагает необходимость решения следующих
задач:
 выполнить мониторинговые исследования и анализ современного уровня знаний о
ледовых воздействиях на гидротехнические сооружения из габионов на ряде
эксплуатируемых объектов в различных регионах России и странах СНГ;
 выявить и изучить основные факторы, особенности и механизмы взаимодействия льда
и сооружений из габионных конструкций, работающих в различных ледовых
условиях;
 выполнить анализ существующих методов и подходов к расчету взаимодействия льда
и сооружений из габионов; усовершенствовать методы оценки взаимодействия
ледовых образований и сооружений из габионов;
 разработать практические рекомендации по предотвращению и уменьшению
негативного влияния ледовых образований на сооружения из габионов;
 составить электронную карту-схему и базу данных по работающим отечественным
гидротехническим сооружениям из габионов с описанием технических аспектов и
условий их эксплуатации в зимний период.
3
Научная новизна.
1. Получены новые оригинальные результаты натурных исследований воздействия
ледовых образований на гидротехнические и транспортные
сооружения,
выполненные с применением габионных конструкций в различных регионах России,
странах СНГ и за рубежом;
2. Впервые выявлены факторы и закономерности, влияющие на общую и внутреннюю
устойчивость различных типов сооружений на основании опыта проектирования,
эксплуатации и свойств габионных конструкций;
3. Автором усовершенствованы методики расчета сооружений из габионных
конструкций при наличии ледовых воздействий на основе актуализированных
математических моделей взаимодействия ледового покрова с гидротехническими и
транспортными сооружениями из габионных конструкций;
4. Впервые разработана информационная база данных и электронная карта-схема по
работающим отечественным сооружениям из габионов в различных ледовых
условиях.
Достоверность основных исходных положений и результатов, полученных в ходе
написания работы, подтверждена значительным объемом натурного и теоретического
материала, полученного и проанализированного автором в ходе выполнения
диссертационной работы; апробированными исходными положениями, принятыми в
теоретических исследованиях, а также удовлетворительной сходимостью расчетных
результатов и данных натурных наблюдений, полученных автором в ходе визуального
обследования и мониторинга целого ряда сооружений из габионных конструкций,
эксплуатирующихся на территории России и стран СНГ.
На защиту выносятся:
- усовершенствованная математическая модель взаимодействия ледовых образований и
сооружений из габионов, как инструмента для изучения явлений взаимодействия
ледовых образований с гидротехническими сооружениями откосного и вертикального
типов;
- методика выполнения поверочных расчетов надежности выбранной конструкции
берегоукрепительных сооружений, на основании свойств ледовых образований и
параметров габионных изделий с учетом их конструктивных особенностей;
- методика выполнения визуального обследования и мониторинга сооружений из
габионов; информационная электронная база данных и карта-схема по отечественным
гидротехническим габионным сооружениям в России и СНГ;
- рекомендации по проектированию и безопасной эксплуатации берегоукрепительных
сооружений из габионов в условиях развивающейся ледовой нагрузки, а также
научно-методические подходы по предотвращению последствий возможных
нарушений целостности их конструкций при воздействии льда.
Практическая значимость работы. Разработанные методики, практические
рекомендации и электронные ресурсы предназначены для использования их при
проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических и транспортных
сооружений из габионных конструкций, работающих в условиях взаимодействия с ледовыми
образованиями, а также для применения их в научно-исследовательской, инженерной и
педагогической деятельности.
Полученные результаты имеют реальное практическое использование при анализе
возможности применения габионов и габионных технологий проектными и строительными
организациями России и стран СНГ.
Реализация основных результатов работы. Результаты исследований внедрены при
проектировании дамбы инженерной защиты в г. Томске; защитных мероприятий причальных
стен причала «Нижнеленинское» и “Пашково» на Среднем Амуре, железнодорожной насыпи
на участке «Сызрань-Сенная» Куйбышевской ж/д; при разработке противоэрозионных и
противооползневых мероприятий на водохранилищах Куйбышевского, Угличского,
Рыбинского гидроузлов и др.
4
Апробация работы. Результаты исследований автора по теме диссертации
докладывались на 9 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том
числе на международных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО МГУП (Москва,
2004, 2005, 2008, 2011); на Всероссийской научно-практической конференции «Инженерные
системы-2008» (РУДН, Москва, 2008г.); на VII конференции «Динамика и термика рек,
водохранилищ и прибрежных морей» (ИВП РАН, Москва 2009г.); на конференции
«Актуальные задачи и перспективы развития городского строительства и хозяйства»
(МГСУ, Москва 2009г.); на IV Международной научно-технической конференции
«Газотранспортные системы: настоящее и будущее», (ГАЗПРОМ ВНИИГАЗ, Москва 2011г);
на III Всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах
России» (г. Онега, Архангельской области, Россия, 2011г).
Основные положения диссертации отражены в 10 научных статьях (в том числе 4
статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ) и тезисах докладов общим объемом 5 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав,
заключения, библиографического списка из 82 наименований, 2-х приложений. Материалы
диссертации изложены на 161 странице, содержат 84 рисунка и 45 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы, определяется цель работы и задачи
исследования; приводится описание габионов как изделий и технико-экономические
особенности их применения в отличие от традиционных материалов и конструкций.
В первой главе обобщен и проанализирован отечественный и мировой опыт
применения габионов при строительстве гидротехнических, транспортных и защитных
сооружений. Систематизировано описание и области применения габионов как элементов
сооружений, так и как самостоятельных инженерных объектов (табл. 1). Указываются
основные требования, которые предъявляются к производителям габионов, а также техникоэкономические показатели и особенности применения габионов в строительстве.
Таблица 1.
Области применения габионов по видам сооружений и тапам работ
Виды сооружений и систем
Типы строительных работ
В дорожном строительстве:
Строительство трубчатых переездов, труб под
Водопропускные трубы
дорогами, транспортных тоннелей и галерей
Устройство водосбросных лотков и водопроводящих
Водосбросные лотки, водоводы
сооружений
Конуса мостов
Укрепление откосов дорог и конусов мостов
Благоустройство территорий
Озеленение и благоустройство обочин
Подпорные стены, армогрунтовые Строительство подпорных стен, в том числе
сооружения
армогрунтовых конструкций
В водохозяйственном строительстве:
Подпорные и причальные стены
Берегоукрепление рек, озер, водохранилищ
Строительство каналов, водовыпусков и прочих
Каналы, водовыпуски и прочие ГТС
гидротехнических сооружений
Строительство
очистных
сооружений
Очистные сооружения
поверхностного стока с применением биотехнологий
Строительство и реконструкция дамб, плотин и
Дамбы, плотины, водохранилища
водохранилищ
Дренажные системы
Устройство дренажных систем, водоотвод
Строительство насосных станций, малых и средних
Насосные станции и ГЭС
ГЭС
Реабилитация природных комплексов, защита территорий от подтопления и опасных
геологических и гидрогеологических процессов
Системы водоочистки
Экологическая реабилитация водоемов
5
Защитные подпорные стены,
армогрунтовые конструкции
Разработка
противооползневых
и
противоэрозионных мероприятий
Водопонижение и водоотведение на участках
Регулирование поверхностного стока
подтоплений
Водопонижение и водоотведение на участках
Противоэрозионные конструкции
подтоплений
Искусственный ландшафт
Разработка ландшафтного дизайна
Коттеджное (малоэтажное) строительство
Подпорные стены
Строительство подпорных стен
Склоновые террасы, ландшафт
Устройство террасирования склонов, уполаживание,
ландшафтные работы
Декоративные водоемы
Устройство декоративных водоемов
Фонтаны
Сооружение фонтанов
Большинство отечественных и зарубежных специалистов занимались изучением
конструктивных особенностей габионных сооружений в мелиорации, дорожно-мостовом
строительстве, укреплении склонов и железнодорожного полотна (И. Иванов, С. Медведев,
Б. Перевозников, К. Шевченко и др.); исследованием надежности габионных сооружений и, в
первую очередь, прочности и условий эксплуатации сетки двойного кручения (Ф. Бабаев, А.
Беккер, В. Гордеев, Д. Петерсон и др.); разработкой технологий крепления берегов рек,
откосов каналов, мостовых переходов и водосбросных сооружений габионами (И. Иванов, С.
Медведев и др.). Особый интерес представляют работы, в которых рассмотрены вопросы
влияния волн на сооружения из габионов (О. Комарова и др.). В них сформулированы
рекомендации (рис. 1…2) по определению толщины берегоукреплений из габионов и
матрасов Рено от высоты волны, оценены возможные пределы применения матрацев Рено в
зависимости от высоты волны (рис. 1…2); показано, что крупность камня для габионных
креплений в 40 раз меньше, чем обычной каменной наброски при тех же волновых нагрузках
на сооружение (К.Т. Браун).
Сооружения из габионов характеризуются следующими положительными
свойствами: внутренняя устойчивость, гибкость конструкции, высокие эстетические
свойства, простота строительства.
Исходя из результатов анализа литературных и проектно-технических источников
отмечено, что вопросы воздействия льда и ледовых образований на габионные конструкции
недостаточно полно изучены как в России, так и за рубежом. При этом данная тема является
актуальной для большей части территории нашей страны.
Причинами возникновения проблем, связанных с надежностью работы сооружений из
габионных конструкций в регионах с суровыми климатическими условиями, являются
конструктивные особенности габионов и, в первую очередь, пористость конструкции, которая
в среднем составляет 25-30%, что является существенным фактором, ослабляющим
надежность таких сооружений при взаимодействии с ледовыми образованиями в водоеме или
водотоке за счет фильтрационных процессов и вмерзания льда в тело конструкции.
К основным условиям, определяющим формирование ледяного покрова на
незарегулированных водотоках, относятся температура воздуха в осенне-зимний период,
прочность и количество льда, интенсивность притока воды, скорость течения воды и
морфометрические характеристики русла. Для зарегулированных водотоков к этим факторам
добавляется динамика уровней водной поверхности. Определенное сочетание и
взаимодействие этих факторов приводит к различным условиям работы габионов и
надежности технических решений с применением габионых конструкций в условиях их
контакта с ледовыми образованиями. В этой связи возникает несколько актуальных научнотехнических вопросов о характере работы (взаимодействии) системы «сетка-заполнитель-лед»;
о влиянии намерзшего льда на выбор технического решения и тип габионной конструкции
(вертикальный или откосный); о формировании припая льда и влиянии истирающего
воздействия льда на состояние защитного покрытия проволоки, из которой изготавливаются
6
габионы; о возможной максимальной толщине примерзшего ледового поля, которую способны
выдерживать сооружения из габионов при изменении уровня воды в водном объекте.
Особенности ледовой обстановки на водном объекте в районе расположения
сооружения из габионов существенным образом влияют на выбор конструкции сооружения,
условия его строительства и эксплуатации. В главе приводится анализ и порядок определения
расчетных исходных данных, характеризующих ледовую обстановку в районе строительства
сооружения из габионов. Характер ледовой обстановки определяется на основании данных
гидрометеорологических наблюдений, в том числе с стационарных метеостанций, спутников и
самолетов, судов, подводных лодок и сонарных устройств. В рамках главы автором были
собраны и обобщены данные по геометрическим и кинематическим характеристикам ледовых
образований на водных объектах для целого ряда регионов России и стран СНГ, в которых
распространено строительство сооружений с применением габионных конструкций.
При определении ледовой нагрузки на берегоукрепительные сооружения из габионов
рассматривались случаи: а) остановки сооружением (с последующим разрушением) ледяного
поля, перемещающегося под действием течения, ветра или подъема уровня в период первой
подвижки льда и ледохода; б) наползания с частичным разрушением ледового образования на
сооружение из габионов (при откосном типе крепления). Натурные наблюдения, выполненные
на водных объектах, показали, что наибольшие воздействия льда на сооружение происходят
при первых подвижках льда, т.е. небольших перемещениях ледяного покрова непосредственно
перед вскрытием реки (водохранилища). В период ледохода прочность льда (за счет
повышения его температуры до 0°С) минимально возможная; но приложение ледовой
нагрузки существенно изменяется и определяется подъемом уровня воды.
Во второй главе приведен аналитический обзор работ, посвященных изучению
воздействия льда на гидротехнические и транспортные сооружения вертикального и откосного
типов, факторов, влияющих на общую устойчивость и надежность конструкций ГТС, а также
явлений примерзания льда к конструкциям сооружений, изменения уровней воды в осеннезимний период, в том числе во время наводнений. Рассмотрение условий воздействия льда на
различные типы сооружений и расчет возникающих при этом нагрузок льда от ледовых
воздействий является обязательным этапом всех проектов гидротехнических, транспортных и
защитных сооружений. Нами были рассмотрены особенности применения габионных
конструкций при берегоукрепительных работах в регионах с суровыми климатическими
условиями.
Применительно к гидротехническим сооружениям, выполненным из габионов,
необходимо принимать во внимание следующие особенности этих структур: гибкость
конструкций, способность габионов частично деформироваться без потерь надежности
сооружения в целом; прочность сетки двойного кручения, из которой изготавливаются
габионы по ГОСТ Р 52132-2003, составляет 35кН/м в поперечном направлении и 55кН/м в
продольном; возможность защиты (по ГОСТ 50575-93) и усиления лицевой грани конструкций
габионных структур; простоту эксплуатации и ремонта поврежденных участков сооружения.
Использование габионов для предотвращения береговых эрозионных процессов в
регионах с суровыми климатическими условиями имеет ряд особенностей и преимуществ по
сравнению с общеизвестными типами защиты береговой линии посредством укладки плит
при откосном типе крепления или устройства бетонных и железобетонных стен –
вертикальный тип крепления. Эти особенности в первую очередь связаны с уникальным
свойством габионных структур – ее пористостью. При становлении ледяного покрова в
осенне-зимний период времени года вода по урезу зеркала водоема проникает внутрь самой
конструкции и смерзается с сеткой и каменным материалом – заполнителем. Действие
ледяного покрова проявляется различно и зависит от многих факторов: длины ледяного поля,
толщины льда, слоя снега, температуры и интенсивности ее повышения, коэффициента
трения по материалу сооружения и грунту, механических свойств льда, колебаний горизонта
воды в водоеме, формы водоема и сооружения.
Основным фактором, влияющим на условия зимней эксплуатации сооружений из
габионов, является ледовый режим акватории водного объекта и, как следствие, ледовые
нагрузки и воздействия на сооружение. В связи с этим обоснованное определение ледовых
7
нагрузок, действующих на сооружения из габионов, является исключительно важной
инженерной проблемой. С одной стороны их занижение может привести к значительному
материальному и экономическому ущербу, а с другой - их завышение вызывает удорожание
сооружения и резкое снижение рентабельности строительства.
Рассмотрены различные варианты воздействия льда (статическое, динамическое,
истирающее) на гидротехнические и транспортные сооружения из габионов, возможные
последствия их контакта с ледовыми образованиями. В частности проанализированы такие
варианты контакта, как наползание льда на откосы; воздействие льда в период ледостава;
промерзание габионов и вмерзание их в лед; статическое давление в период ледостава;
статическая нагрузка в период изменения уровня воды и др.
Актуализирована классификация ледовых нагрузок на гидротехнические и
транспортные сооружения; проанализированы результаты расчетов ледовых нагрузок на
сооружения вертикального и конического профилей по моделям различных авторов (А.
Беккер, О. Комарова, С. Бекецкий и др.).
Выполнена комплексная оценка надежности сооружений из габионов, в том числе
декларированы условия долговечности (срока службы) данных конструкций при
изменяющихся характеристиках водоема (водотока): скоростном режиме, расходах,
колебаниях уровней, ледовой обстановке и др.
В третьей главе рассматривается феноменологическая модель, которая учитывает
факторы и процессы контакта сооружения из габионов вертикального профиля с
дрейфующим льдом исходя из четырех основных расчетных вариантов. К факторам,
влияющим на формирование экстремальных ледовых нагрузок, в процессе разрушения
ледяного образования перед сооружением, относятся: морфологические, кинематические и
динамические параметры ледового режима; физико-механические, прочностные свойства
ледяных образований; геометрические и механические параметры сооружения.
Исследуя процессы, происходящие при воздействии ледяных образований на речные
берегоукрепительные сооружения, было выяснено, что задача по определению
экстремальных ледовых нагрузок является достаточно сложно выполнимой.
Приводится обобщенная математическая модель воздействия ледовых образований на
сооружения из габионов. При проектировании берегоукрепительных сооружений с
применением габионных конструкций, предназначенных для эксплуатации в условиях с
тяжелым ледовым режимом, необходимо учитывать возможность воздействия на них
двигающихся ледовых полей, нагрузки от которых могут быть экстремальными.
X
MAX
M TV 2
(1)
  FICE dx ,
2
0
где: MT –масса ледяного поля; V – скорость дрейфа ледяного образования; Fice –
нагрузка от ледяного поля; Xmax – максимальное возможное внедрение ледяного поля.
Нагрузка Fice определяется (с учетом рекомендаций СНиП 2.06.04-82/*95) по формуле:
FICE  FB. P  mk B kV RC DhC ,
(2)
где: m - коэффициент формы конструкции в плане; kb – коэффициент смятия; k коэффициент скорости; hс - расчетная толщина консолидированной части, м; Rc прочность консолидированной части при сжатии; Dс – ширина/протяженность
сооружения по урезу воздействия льда, м.
Получить необходимые данные о внутренних взаимосвязях в системе «сооружение из
габионов – ледяное поле» можно посредством модельно-кибернетического эксперимента,
базовой основой которого считается математическая статистика, где результаты расчетов
рассматриваются как случайные величины (процессы). Характеристики изучаемого объекта
в нем определяются при помощи моделирующего алгоритма реализуемого в виде программы
на ЭВМ.
8
Планирование эксперимента можно представить в виде трехэтапной логической
структуры: выбор значений параметров для выполнения расчета на ЭВМ; определение
способов образования статистических выборок; расчет необходимого числа повторений
экспериментов.
Зависимость (1) на основе анализа размерностей можно представить в виде:
Y   X 1 ; X 2  ,
(3)
где: X 1; X 2 - безразмерные независимые величины; Y – безразмерная зависимая
величина.
X1 
Fridge
hS
R
; X 2  2 C ;Y  2 2 ,
DC
V L
Dс V  l
(4)
где, Fridge - нагрузка от ледяного покрова; V - скорость дрейфа ледяного поля; l плотность льда.
На основе анализа размерностей исследована зависимость величины внедрения
сооружения в ледяной массив Xmax от параметров ледового образования и сооружения, с
учетом взаимозависимости геометрических параметров, согласно принятой модели
взаимодействия «сооружение-ледяной покров».
Данную зависимость можно представить в виде функции:
X max  f ( Fridge , V , DC ) ,
(5)
Так как ледовая нагрузка зависит от нескольких параметров, то зависимость (5) можно
выразить через безразмерные комбинации следующих величин:
h
X max
R 
 f  S ; 2C  ,
DC
 DC V  l 
Обозначим полученные безразмерные комплексы как:
X1 
(6)
hS
R
X
; X 2  2 C ; Y  max ,
DC
V l
DC
(7)
После обработки в программе «STATISTICA» получено уравнение модели:
h
Y  0,088847  0,205231 S
 DC
 R
 0,00008 2 C
 V l

h
  0,119823 S

 DC

 R
  1,059  10 11  2 C

 V l



2
2

 

,
(8)
В результате численного расчета получены значения нагрузки от ровного поля,
воздействующего на остановившееся у сооружения из габионов ледовое поле торосистого
типа (рис. 3). Также, были получены результаты по зависимости величины внедрения
габиона в структуру льда (X) (рис. 4). Однако полученные в данном случае значения можно
считать верхней границей экстремальных ледовых нагрузок, так как внешних воздействий
для полного разрушения ледяного поля о сооружение недостаточно.
Учитывая случайную природу ледовых нагрузок, для определения степени воздействия
на сооружение ледяных образований необходимо рассматривать все возможные варианты
взаимодействия элементов системы «сооружение – ледяной покров».
Далее в главе приводится имитационная модель воздействия льда на габионное
сооружение вертикального и откосного типов при изменении уровня воды в водоеме.
Из всех возможных случаев воздействий ледовых нагрузок на габионные конструкции
рассмотрен наиболее неблагоприятный случай, при котором наиболее возможны
9
повреждения и разрушения откосных креплений от примерзшего к сооружению ледяного
покрова при изменении горизонта воды в водном объекте. При подъеме уровня воды
примерзший к креплению лед передает на него давление снизу вверх до тех пор, пока не
произойдет разрушение ледяного покрова. При понижении горизонта воды лед действует в
обратном направлении, сдавливая крепление из габионов своим собственным весом.
Оценка устойчивости конструкции из габионов выполняется на вырывающее
действие ледяного покрова при изменении уровня воды в водном объекте с учетом действия
дополнительных удерживающих сил и факторов: веса армирующего каркаса габиона;
сопротивления сил трения в местах соединения габионов (в верхней и нижней частях
конструкции); веса камня в габионе; половины веса соседних габионов от расчетного (снизу
и сверху); веса ледяной призмы над габионом; прочность армирования металлической сетки
каркаса габиона.
Эффективность защиты оценивалась расчетом по следующим направлениям:
- на действие вырывающей силы от льда при изменении уровня воды;
- на действие вырывающего момента силы от льда при изменении уровня воды;
- на прочность металлической проволоки каркаса габиона.
Расчет на действие вырывающей силы. Для обеспечения устойчивости откосного
сооружения из габионов от вырывающего действия силы, вызванной действием ледяного
покрова, необходимо выполнение условия (рис. 5):
k | k | ;
(9)
k
Fd1уд_г
Fd1выд
,
(10)
где: k – коэффициент устойчивости; |k| - коэффициент запаса (1,1 – 1,3); Fd1уд_г –
удерживающая сила конструкции из габионов.
Рассмотрены два основных случая воздействия льда на габионы:
1) При свободно лежащих габионах на откосе:
 
  

Fd1уд_г  (2Q г  Q ice )  cos(
)  f  2Q г  sin(
)
(11)
180
180 

2) При связанных габионах на откосе:


  
(12)
Fd1уд_г  (2Q Г  2Q ICE )  cos
  PU 
 180 


где, Q Г - вес габионной структуры; Q ГК - вес металлического каркаса габиона; Q К - вес
камня в габионе; Q ICE - вес ледяной призмы, лежащей над габионным креплением откоса;
PU - прочность стенки.
Расчет на действие момента вырывающей силы.
k
где, M1уд_г
M 1уд_г
M1
- момент удерживающих сил, кН  м
(13)
Удерживающий момент силы M1уд_г , с учетом защиты откоса габионной структуры,
определяется по зависимости:
  

l Г  cos(
)

Qг 
180
   Q ice   m  h max )
M 1уд_г  ( ) 
(14)
2 
2
  3 




10
где: m - заложение откоса, h max - максимальная толщина ледяной призмы.
Расчет на прочность металлической проволоки сетки каркаса габиона при
взаимодействии с ледовым полем. Прочность проволоки в конструкции габиона обеспечена,
если растягивающие напряжения  в ней от действия вырывающей силы льда Fd1выд не
превысят допускаемых  доп .
   доп
(15)
где:  - растягивающее напряжение проволоки сетки;  доп - допускаемые напряжения в
проволоке габионной сетки, [ГОСТ Р 52132-2003].
Fd
(16)
  1выд
S об
где: Fd1выд - вырывающая сила льда; Sоб - суммарная площадь проволоки в расчетном
сечении.
S об  n  S
(17)
где: n - количество проволок в расчетном сечении; S - площадь сечения одной проволоки;
d n - диаметр проволоки.
2
dn
(18)
4
Минимально допускаемое количество проволок nmin в расчетном сечении определяется
по формуле:
F
n min  d1выд
(19)
 доп  S
В четвертой главе автором выполнена реализация алгоритма и программы расчета по
обобщенной математической модели воздействия льда на сооружения из габионов,
заключающаяся в определении критических параметров воздействия льда на сооружения из
габионов. Величины ледовых нагрузок определяются по специальному алгоритму и
расчетной программе, моделирующей воздействие ледяных образований на сооружение,
разработанной на базе VBA для Windows 2000, Windows XP, Windows Vista/7. Программа
составлена на основании алгоритма вероятностного моделирования согласно блок-схемы,
приведенной в главе 3.
Расчет значений экстремальных ледовых нагрузок предваряет ввод параметров величин
HS, R, скорости дрейфа ледового поля V, ширины/протяженности сооружения – D, а также
некоторых постоянных параметров берегоукрепительных сооружений и льда. Конечным
результатом модельного расчета является получение значений: h1 – толщины ледяного поля;
D1 – протяженности/диаметра сооружения; V1- скорости движения ледяного поля; F1 –
нагрузки от ровного поля льда; Fridge – нагрузки от торосистого образования; Fyz – силы
взаимодействия между сооружением и полем ровного льда; y, x – параметров движения поля
ровного льда; Eпот1 – энергии потерь ровного поля льда; Ekост1 – остаточной кинетической
энергии ледяного образования, по которым оценивается степень воздействия ледовых
образований на сооружения из габионов.
Реализация методики расчета воздействия льда на сооружения из габионов приведена
на примере оценки воздействия ледовых образований на берегоукрепительное сооружение –
защитную
насыпь мостового перехода на участке ПК 38+00 Сызрань-Сенная,
Куйбышевской ж/д. Протяженность защищаемого участка составляет 500м. Расчетная
толщина ледового покрова (обеспеченностью 1 %) составляет 1,30 м. На реке Сызранке
наблюдаются две волны половодья: первая - весенняя, проходит в конце марта – начале
апреля, при этом уровень повышается на 2-3 м выше НПУ. На пике подъема может
наблюдаться ледоход. Вторая волна половодья проходит с конца апреля – начала мая до
середины июня. Ледоход в водохранилище проходит обычно перед второй волной половодья
и длится 2-7 дней. Минимальный уровень ледохода составляет 27,50 м, максимальный –
S 
11
29,00 м БС. Ледостав устанавливается в конце ноября – начале декабря. Максимальный
уровень в начале ледостава – 28,70 м БС, максимальный уровень ледостава – 27,40 м БС.
Устойчивый ледостав длится до начала – середины апреля. Колебания уровней воды в
водохранилище в период ледостава вызывают деформации льда. Максимальная скорость
повышения или понижения уровня воды в период ледостава составляет 0,017 м/с; время, в
течение которого происходит деформация ледяного покрова при понижении или повышении
уровня воды, составляет примерно 120 ч .
В рамках выполненного расчета были рассмотрены 2 основных типа крепления:
- Однослойная комбинированная защита из габионов толщиной 0,5 м (рис. 7);
- Комбинированная защита с гравитационной подпорной стенкой (рис. 8).
Оценка устойчивости конструкций из габионов выполнялась на вырывающее действие
ледяного покрова при изменении уровня воды в водохранилище Самарского гидроузла. В
выполненных нами расчетах учитывались действия дополнительных удерживающих сил, в
том числе вес армирующего каркаса габиона; сопротивление сил трения в местах соединения
габионов (в верхней и нижней частях конструкции); вес камня в габионе; половина веса
соседних габионов от расчетного (снизу и сверху); вес ледяной призмы над габионом; а
также прочность армирования металлической сетки каркаса габиона. При этом
эффективность защиты оценивалась: на действие вырывающей силы от льда при изменении
уровня воды; на действие вырывающего момента силы от льда при изменении уровня воды;
на прочность металлической проволоки каркаса габиона.
По зависимостям (9-19) с учетом гидрологической информации и данных о состоянии
ледовой обстановки выполнен расчет устойчивости крепления откосного типа из габионов
при условии, что матрацы Рено на откосе были связаны между собой и представляли единое
защитное поле (наиболее типичный случай). Расчет на действие вырывающей силы (рис.5)
удовлетворял условию (10). Для значений удерживающих в проектном положении
конструкций усилий Fd1уд_г = 264 кН/м и вырывающих (сдвигающих) усилий Fd1выд =180 кН/м
получен коэффициент запаса k =1.463, обеспечивающий выполнение неравенства (9) k | k | ,
при |k| = (1,1 – 1,3).
Далее выполнен расчет момента вырывающей силы М, воспринимаемого сооружением
от примерзшего ледяного поля при понижении или повышении уровня воды (рис.6), который
соотнесен с моментом удерживающих усилий матрацев Рено на откосе в проектном
положении. Значение момента удерживающих усилий матрацев Рено на откосе в проектном
положении получено по зависимости (14), M1уд_г = 127 кН  м . Момент силы М,
воспринимаемый сооружением от примерзшего ледяного поля при понижении или
повышении уровня воды определялся как:
(h max ) 3
M  0,2  L  v d  t d 
,

(20)
2
где, М – момент силы, воспринимаемый сооружением; M lim - предельное значение
момента силы; M1уд_г - момент удерживающих усилий. При этом значение момента силы не
превышало предельного значения момента силы M lim :
M  M lim ,
L  (h max ) 2  R t  R C  (1  2  k e )
,
M lim 
6  (R t  R C )
(21)
(22)
где, R t - нормативное сопротивление растяжению деформирующегося ледяного
покрова; R C - нормативное сопротивление сжатию деформирующегося ледяного покрова;
R t  R ty  e
4 tcal

,
(23)
R ty - среднее значение предела текучести льда при растяжении;
12
R ty  f(t i )  0,80 МПа [СНиП 2.06.04-82/95*];
R сy  f(t i )  2,50 МПа [СНиП 2.06.04-
82/95*]; t cal  время, в течение которого уровень воды изменяется на величину равную
толщине льда, ч. Из (22) получен M lim  45,17 МН  м .
Выполнение условия (21) свидетельствовало о том, что расчетный момент силы М не
превысил предельного значения момента силы M lim . Следовательно, на 1 погонный метр
откоса момент силы, воспринимаемый сооружением от примерзшего ледяного покрова при
М
понижении или повышении уровня воды, оказывал момент М 1 
 90кН / м .
L
Из (13) с учетом значения удерживающего M 1уд_г и сдвигающего/вырывающего
моментов получено, что при действии вырывающего момента силы М1 коэффициент запаса
составил k =1.413, что удовлетворяло общим критериям надежности выбранной конструкции
защиты откосов с применением габионов.
На основании полученных расчетных данных и зависимостей, а также технических
заключений о результатах натурных наблюдений сделан вывод о работоспособности
предложенного алгоритма расчета, в случае, когда необходимо выполнить расчеты по
обоснованию применения габионных конструкций при производстве берегоукрепительных
работ в регионах с суровыми климатическими условиями и с учетом особенностей ледовой
обстановки. Данный расчетный метод позволяет учесть в расчетной части физикомеханические характеристики проволоки габионов, каменного материала-заполнителя,
фильтрационные особенности габионов, а также целостность сооружения, которая всегда
имеет место, так как габионы вяжутся между собой.
Также, в четвертой главе работы сделаны предложения по усовершенствованию
существующей нормативно-расчетной базы, приведены составленные автором развернутые
методические рекомендации по оценке возможности применения габионных конструкций в
регионах с суровыми климатическими условиями, которые призваны обеспечить очевидные
преимущества использования габионов при строительстве берегоукрепительных ГТС и
транспортных объектов. На основании отзывов эксплуатирующих организаций автором
приводится ряд практических рекомендаций по их проектированию в условиях
развивающихся ледовых нагрузок.
В пятой главе приводится классификация видов и целей мониторинга сооружений из
габионов, рассмотрена разработанная и апробированная автором методика мониторинга
сооружений из габионов.
Целью мониторинга гидротехнических и транспортных сооружений, выполненных с
применением габионных конструкций, является определение технического состояния
габионных конструкций, выявление дефектов в сооружении, разработка рекомендаций по их
устранению и предупреждению, предписаний по дальнейшей эксплуатации, ремонту или их
реконструкции. Мониторинг включает в себя комплекс мероприятий по определению и
оценке фактических значений контролируемых параметров, характеризующих техническое
состояние объектов обследования. В зависимости от характера выполняемых работ
различают визуальный и инструментальный мониторинг сооружений.
Задачи мониторинга габионных сооружений включают в себя:
- обеспечение безопасной эксплуатации сооружений из габионов, а также защищаемых
и прилегающих объектов инфраструктуры;
- своевременное выявление отклонений в строящихся или существующих сооружениях
от проектных решений;
- своевременное выявление, предупреждения и прогнозирование развития опасных
процессов в зоне строительства (в случае критических деформаций габионных изделий);
- управление рисками, связанными с механическими повреждениями конструкций;
- оценку эффективности принятых методов расчета и проектных решений.
Мониторинг габионных сооружений классифицируется либо по наблюдаемому объекту
(технический мониторинг), либо по форме предоставления информации в течение времени
(периодический и непрерывный). Порядок проведения мониторинга сводится к следующим
13
действиям: описание объекта, его географическое расположение и региональная
принадлежность;
составление
общей
характеристики
гидротехнического
(берегоукрепительного) и/или транспортного сооружения; изучение проектно-сметной
документации и принятого технического решения; анализ наблюденных толщин ледяного
покрова по регионам и условия его формирования на объекте; выезд на объект, визуальный
осмотр, оценка имеющихся повреждений покрытия проволоки, деформации габионного
сооружения; разработка рекомендаций по защите сетчатого полотна и покрытия проволоки
от истирания в зависимости от местных условий ледохода и изменений уровней воды;
составление заключения.
В главе рассмотрены некоторые построенные объекты с применением габионнных
конструкций, мониторинг которых ведется, в том числе с точки зрения поведения
сооружений в условиях ледовых нагрузок.
Под руководством и при непосредственном
участии автора был выполнен мониторинг более 150 крупных гидротехнических,
транспортных и защитных объектов, выполненных из габионов и расположенных в
различных климатических зонах России, стран СНГ, а также за рубежом, с различными
условиями формирования ледовой обстановки (рис. 9…15). На основании полученных
данных мониторинга, анализа технических и проектных решений можно сделать вывод об
эффективности применения габионных технологий при берегоукрепительных работах в
целом, в том числе в условиях развивающейся ледовой нагрузки.
Обширная информация, систематизированная автором на основании данных
многолетнего мониторинга сооружений, выполненных с использованием габионных
технологий, позволила разработать информационно-технологическую базу данных и картусхему, наглядно показывающую географию реализованных объектов с применением
габионов. База данных и карта-схема реализованы в приложении Microsoft Excel (Visual
Basic) и позволяют проанализировать реальное состояние и оценить технические аспекты по
всем инвентаризированным сооружениям, выполненным с применением габионов и
реализованным на территории Российской Федерации (пример по 3-м объектам приведен на
рис. 16…17). Помимо технического описания сооружения, используя базу данных и картусхему, можно получить информацию по датам проведения мониторинга/обследования, о
выявленных дефектах, характерных повреждениях, свойственных выбранным типам
конструкций, а также фотоматериалы по ним.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В современной практике гидротехнического строительства достаточно широко
применяются габионные технологии, которые требуют всестороннего изучения, особенно
при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений, работающих в суровых
климатических условиях. На основе анализа и обобщения отечественного и мирового опыта
гидротехнического строительства отмечено, что вопросы мониторинга и эксплуатации
сооружений из габионов, а также особенности воздействия льда и ледовых образований на
габионные конструкции до сих пор практически не изучены.
1. В результате многочисленных натурных обследований габионных сооружений,
выполненных автором, получены современные данные о состоянии и особенностях работы в
условиях ледовой обстановки целого ряда построенных и эксплуатируемых
гидротехнических и транспортных объектов на территории РФ и стран СНГ, выполненных с
применением габионных технологий. Эти данные позволили оценить правильность
принимаемых проектных решений, типичные повреждения конструкций льдом, а также
выявить преимущества и ограничения применения габионов в условиях воздействия льда
при строительстве гидротехнических сооружений в различных регионах России и странах
СНГ.
2. Анализ современного уровня фактических знаний о ледовых воздействиях на
сооружения, выполненных из габионных конструкций позволил более точно оценить
текущую ситуацию в области существующих и разработки новых нормативных
документов/актов, регламентирующих порядок и подходы к проектированию и эксплуатации
сооружений из габионов, работающих в условиях ледовых нагрузок. Выявлены и изучены
14
основные факторы, пространственно-временные масштабы, особенности и механизмы
взаимодействия льда и сооружений из габионных конструкций, работающих в различных
ледовых условиях: ледостава, ледохода, волновых нагрузок. На основании полученных
данных автором было сделано предложение компании производителю габионов по внесению
изменений в ТУ 1275-001-42873191-2009 (одобрено) и ГОСТ Р 52132-2003, а именно –
производство габионов с усиленной лицевой гранью. Данный тип конструкций является
более надежным при взаимодействии с ледовыми образованиями.
3. Выполнен анализ существующих методов и подходов к расчету взаимодействия льда
и гидротехнических сооружений, в том числе из габионов. На основании полученных
результатов были усовершенствованы методики расчета напряженно-деформированного
состояния системы «сооружение из габионов – ледовые образования» откосного и
вертикального профилей.
4. Усовершенствована математическая модель взаимодействия ледовых полей с
сооружениями из габионов (вертикального и откосного профиля). Впервые был предложен
комплексный анализ и прогнозирование поведения габионных конструкций в условиях
развивающихся ледовых нагрузок с учетом их свойств и параметров. Анализ результатов
численного эксперимента с использованием усовершенствованной математической модели
позволил выделить основные критерии, влияющие на надежность работы сооружения из
габионов в зимних условиях, и расчетные параметры для проектирования габионных
конструкций.
5. Для анализа текущего состояния и оценки надежности гидротехнических
сооружений, выполненных с использованием габионных технологий, впервые была
разработана комплексная методика натурного обследования и мониторинга сооружений из
габионов, работающих, в том числе в суровых климатических условиях.
6. На основании полученных данных мониторинга габионных сооружений была
составлена электронная карта-схема и информационная база данных по работающим
отечественным сооружениям из габионов с описанием технических аспектов и условий их
эксплуатации, в том числе в зимний период. Использование данного информационного
ресурса позволяет установить уровень текущего состояния и надежности габионных
сооружений, отследить график проведения мониторинга построенных объектов, отметить
выявленные дефекты, оценить эффективность технических решений, принимаемых при
зимней эксплуатации и реконструкции таких объектов.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Издания, рекомендованные ВАК РФ:
1. Багин А.В. Проблемы и особенности взаимодействия ледового покрова с габионными
конструкциями [Текст] / Багин А.В., Козлов Д.В. // «Природообустройство» - научнопрактический журнал / Учредители: Департамент научно-технологической политики и
образования Министерства сельского хозяйства Российской Федерации, ФГОУ ВПО МГУП
– М., 2007 - ISSN 1997-6011. 2007, №4, УДК 502/504, ББК 20.1, П77.
2. Багин А.В. Оценка деформационных характеристик берегоукрепительных
сооружений из габионных конструкций при взаимодействии с ледовым покровом [Текст] /
Багин А.В., Козлов Д.В. «Природообустройство» - научно-практический журнал /
Учредители: Департамент научно-технологической политики и образования Министерства
сельского хозяйства Российской Федерации, ФГОУ ВПО МГУП – М., 2008 - ISSN 1997-6011.
2008,№3, УДК 502/504, ББК 20.1, П77.
3. Багин А.В. Оценка возможности применения габионных структур в условиях
развивающейся ледовой нагрузки [Текст] / Багин А.В., Козлов Д.В. Журнал
«Гидротехническое строительство», №12, декабрь 2008г. ISSN 0016-9714, М., 2008 – С.17-21.
4. Багин А.В. Обобщенная математическая модель воздействия ледовых образований на
гидротехнические сооружения из габионов [Текст] / Багин А.В., Козлов Д.В.
«Природообустройство» - научно-практический журнал / Учредители: Департамент научнотехнологической политики и образования Министерства сельского хозяйства Российской
15
Федерации, ФГОУ ВПО МГУП – М., 2011, ISSN 1997-6011, 2011,№2, УДК 502/504, ББК
20.1, П77.
Другие издания и публикации:
5. Багин А.В. Общие понятия и технические аспекты использования габионных
конструкций. Концепция применения конструкций в регионах с суровым климатом, в
условиях воздействия ледовых масс [Текст] / Багин А.В., Козлов Д.В. Международная
научно-практическая конференция «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации
национальных проектов», ФГОУ ВПО МГУП – М., 2005, УДК 631.3.004.
6. Багин А.В. Оценка деформационных характеристик берегоукрепительных
сооружений из габионных конструкций при взаимодействии с ледовым покровом [Текст] /
Багин А.В., Козлов Д.В. Труды Всероссийской научно-практической конференции
«Инженерные системы-2008». Москва, 7-11 апреля 2008г.- М.:РУДН, 2008. -380с ISBN 9785-209-03294-6. –С.100-109.
7. Багин А.В. Ледовые нагрузки на габионные конструкции при берегозащитных и
противоэрозионных работах в регионах с суровыми климатическими условиями [Текст] /
Багин А.В., Козлов Д.В. Российская Академия Наук, Отделение наук о Земле, Институт
водных проблем, Российский университет дружбы народов «Динамика и термика рек,
водохранилищ и прибрежной зоны морей», Труды VII Всероссийской конференции 2009, г.
Москва, М.,2009, ISBN 978-5-209-03728-6, с.146-150.
8. Багин А.В. Общие понятия и технические аспекты использования габионных
конструкций. Концепция применения конструкций в регионах с суровым климатом, в
условиях воздействия ледовых масс [Текст] / Багин А.В., Козлов Д.В. Актуальные задачи и
перспективы развития городского строительства и хозяйства / Сборник научных трудов. –
Вып.2. – М.: Прима-пресс Экспо, 2009 -224 стр. - ISBN 978-5-904305-04-8.
9. Багин А.В. Современные решения компании Маккаферри для инженерной защиты
объектов нефтегазовой отрасли [Текст] / Багин А.В., Поливкин П.В. IV Международная
научно-техническая конференция «Газотранспортные системы: настоящее и будущее»,
ГАЗПРОМ ВНИИГАЗ, М:. 2011г. –С.95-98.
10. Багин А.В. Обобщенная математическая модель воздействия ледовых образований
на гидротехнические сооружения из габионов [Текст] / Багин А.В., Козлов Д.В. Труды. III
Всероссийская конференция «Ледовые и термические процессы на водных объектах России»
г. Онега, Архангельской области, Россия, 2011.
16
Рис.1-2. Зависимости толщины матраца от высоты волны и заложения откосов.
Рис.3. Зависимость величины нагрузки ледового поля, воздействующего на сооружение из
габионов, от параметров ледового поля и площади контакта.
Рис.4. Зависимость величины внедрения габиона в структуру ледового поля (X) от
характеристик ледового образования и размеров (площадных) сооружения.
17
Рис.5. Схема к расчету устойчивости габионов на откосе.
Рис.6. Схема взаимодействия ледяного покрова и габионного крепления при изменении
уровня воды.
Рис.7. Однослойная комбинированная защита из габионов толщиной 0,5 м
18
Рис.8. Комбинированная защита с гравитационной подпорной стенкой.
Рис.9. Навалы льда и наледи на откосы дамбы, г.Томск, 2006г.
Рис. 10. Ледоход на р.Томь, 2008г.
19
Рис. 11. Общий вид на переливное сооружение в зимний период времени, Пермь, 2008г.
20
Рис. 12. Смерзание льда с защитным сооружением конуса моста на трассе Амур.
Рис. 13. Сопряжение габионов «Джамбо», t=0,5м с причалом «Пашково» р. Амур.
21
Рис.14. Вариант устройства защиты от повреждений стенки габионов, Новоазовск 2008г.
Рис. 15. Навалы льда на армогрунтовую подпорную стенку, Новоазовск, 2008г.
22
Рис.16. Общий вид карты-схемы. Выбор объекта на карте.
Рис.17. Данные мониторинга по отдельно выбранному объекту.
23