Укрепление склонов одновременно с защитой от эрозии
Для успешного и долгосрочного укрепления естественных насыпей и новых траншей в рыхлой породе крайне важно эффективное восстановление растительности на них. В сочетании с гидро- или сухим посевом высокую эффективность демонстрируют так называемые трехмерные противоэрозионные маты, изготовленные из полипропилена. С одной стороны, трехмерная структура снижает энергию удара дождевых капель, а с другой стороны, уменьшается гидравлическое усилие потока стекающей воды. Кроме того, частицы почвы и органические вещества, такие как небольшие корни, ветви и листья, сохраняются в петлеобразной структуре, тем самым улучшая естественное снабжение питательными веществами. Для снижения отрицательного эффекта от нагрева на солнце, который возникает при использовании изделий темных цветов, создаются системы, по цвету схожие с грунтом. Они меньше нагреваются, и, таким образом, процесс озеленения происходит более продуктивно — rvl
Геотекстильный материал, который используется в качестве вспомогательного средства для посадки, обычно имеет низкую прочность и поэтому эффективен только для малых углов наклона или в сочетании с укрепляющим элементом, таким как стальная сеть — кмд
За последние 15 лет высокопрочные металлические сети для укрепления склонов в сочетании с нагельным креплением грунта отлично зарекомендовали себя. Они крайне прочны и благодаря высокой устойчивости к продавливанию хорошо удерживаются на нагелях. Их размеры для укрепления поверхностных смещений можно определить с помощью программного обеспечения в соответствии с так называемой концепцией RUVOLUM — www.stkmd.ru
Для того, чтобы увеличить диапазон применения вышеуказанных противоэрозионных матов, а также для увеличения несущей способности до 53 кН/м при производстве их объединили с легкой высокопрочной металлической плетеной сетью. В основном они используются для защиты от сползания и/или для озеленения, без крепления к земле. Накопленный опыт теперь применяется при производстве продукции, которая сочетает в себе преимущества высокопрочной металлической сети и противоэрозионного мата. Нагрузку 150 кН/м и устойчивость к продавливанию 180 кН можно достичь при креплении с использованием зубчатой пластины.
Компания Geobruggзанимается разработкой, проектированием, а также применением обеих систем. Благодаря системам, описанным выше, теперь можно эффективно защищать высокие грунтовые насыпи, укрепляя почву и восстанавливая растительность, с учетом местоположения.
1 Введение
Создание и расширение объектов инфраструктуры, например автомобильных и железных дорог, часто требует подрезки склонов или создания высоких насыпей, как в рыхлом грунте, так и в скальных породах. (рис. 1). В большинстве случаев уклон следует предусматривать небольшим, чтобы не допустить поверхностного смещения грунта. Как правило, для защиты от эрозии бывает достаточно простых средств ее контроля, таких как противоэрозионные маты. Однако они обладают низкой прочностью и быстро теряют свою форму при работе на крутых насыпях и в случаях, когда есть проблемы с общей устойчивостью (рис. 2).
Рисунок 1. Мероприятия по подрезке склона на территории спортивного сооружения.
Рисунок 2. Сползание насыпи с уклоном около 25°, закрепленного геотекстильным материалом / противоэрозионным матом для озеленения, без нагельного крепления.
1.1 Польза противоэрозионных матов при озеленении
При создании насыпей или подрезке склонов естественный и функциональный слой растительности должен поддерживаться и/или воссоздаваться для обеспечения долгосрочного крепления насыпей (Rüegger, 2004 и 2006). Склоны при создании /изменении ландшафта в скальных породах, как правило, бедны питательными веществами из-за удаления верхнего слоя почвы (Bosshard, 2013). Из-за удаления слоя растительности количество корней и естественные запасы семян здесь недостаточны.
В целом, объем внешней эрозии должен сокращаться или контролироваться. При этом первичная эрозия, вызванная влиянием выпадения осадков, отличается от вторичной эрозии, вызванной влиянием естественного тока поверхностных вод (рис. 3). Противоэрозионный мат должен минимизировать энергию удара капель и удерживать частицы почвы при стекании воды (Rüegger, 2006).
Рисунок 3. Каналы эрозии, созданные потоками воды, которые вымывают почву и сокращают и/или препятствуют росту растений.
Существуют различные виды противоэрозионных матов и геотекстильных материалов для сохранения и восстановления озеленения рыхлых скальных склонов (стандарт SN 640 550, Geotextilhandbuch, 2003). В целом, существуют два основных геотекстильных материала: синтетический – например, из полипропилена, и природный – из органических материалов, таких как джутовые или кокосовые волокна. Органические натуральные материалы можно использовать для более пологих склонов. Их преимущество заключается в том, что они сохраняют часть воды и выделяют питательные вещества, когда разлагаются, тем самым способствуя росту растений. На более крутых склонах преимуществами обладают синтетические материалы — благодаря их малому весу, который незначительно изменяется при пропитывании водой. Кроме того, синтетические материалы дольше сохраняются по сравнению с органическими.
1.2 Гибкие системы укрепления склона на основе высокопрочной стальной сети
Гибкие системы укрепления склона на основе высокопрочной стальной проволоки в сочетании с системой контроля эрозии в настоящее время широко используются для укрепления рыхлых грунтовых и горных склонов. Эти системы чрезвычайно эффективны при правильном применении (рис. 4). Однако отсутствие должного подхода к таким вопросам как стандартизация и сертификация, а также отсутствие четких критериев по оценке эффективности систем инженерной защиты приводят к тому, что проверка работоспособности таких систем попросту не проводится.
Рисунок 4. Укрепление склонов с помощью высокопрочной стальной сети и противоэрозионного мата (система TECCO® G65/3).
В результате производители предлагают и/или устанавливают системы, которые попросту не адаптированы к условиям местности или компоненты которых не соответствуют друг другу. Это означает, что использование системы может иметь потенциально фатальные последствия, связанные с разрушением материала, а также с критическими деформациями. Должна быть известна несущая способность как системы в целом, так и отдельных ее элементов (сети, ячеек и креплений), чтобы можно было использовать программное моделирование для осуществления необходимых проверок на деформации и смещения (Rüegger, 2002 и Flum, 2014).
1.3 Расчеты для предотвращения поверхностных смещений
Расчеты по поверхностным смещениям можно провести в соответствии с моделью RUVOLUM®. Она универсальна и может использоваться для определения параметров систем инженерной защиты при поверхностных смещений в рыхлых грунтах, а также на склонах из выветрелых скальных пород. В основе расчетов – несущая способность грунта; это определено многократными тестами в натуральную величину. Концепция RUVOLUM® подробно описана Рюэггером в 2002 и 2004 годах.
Она включает изучение поверхностных смещений, параллельных склону (рис. 5), а также исследование локальных смещений между отдельными нагелями (рис. 6).
Рисунок 5. Поверхностные смещения, параллельные склону.
Дополнительно может учитываться влияние избыточного гидростатического давления, давления потока и сил сейсмического характера. В качестве онлайн-инструмента можно использовать программное обеспечение на сайте www.geobrugg.com (myGeobrugg).
Рисунок 6. Локальные смещения между отдельными нагелями.
2 Оценка противоэрозионного мата
В 2000 году были проведены первые испытания для оценки противоэрозионного мата, подходящего для более крутых склонов, в сочетании с высокопрочной металлической плетеной сетью. В 2003 году они были расширены с использованием противоэрозионного мата, который предполагал широкий спектр применений.
В сотрудничестве с инженерно-технической фирмой Rüegger Flum были выработаны следующие требования:
Высокая проницаемость для семян при использовании современных способов влажного и сухого посева, чтобы максимальное количество семян удерживалось матом;
Хорошая адаптируемость к почве;
Низкая поверхностная плотность, даже при попадании воды;
Прочное сцепление мата с подложкой / низкий риск скольжения;
Хорошие удерживающие свойства в отношении частиц почвы, органических веществ и семян;
Соответствие цвета для сохранения естественного внешнего вида / меньшего нагрева.
Во время испытаний в 2000 году на испытательной площадке в Вале, Швейцария, были установлены различные противоэрозионные маты.
Использовались следующие варианты (рис. 7).
Площадка I: Трехмерный, очень плотный трехслойный противоэрозионный мат из черного полипропилена.
Площадка II: Трехмерный гофрированный противоэрозионный мат из черного полипропилена.
Площадка III: Двумерная плоская геосеть из черного полипропилена.
Рисунок 7. Испытательная площадка для оценки противоэрозионных матов.
Испытательная площадка выходила на юго-запад, в редком месте с экстремальными сменами сухих и влажных условий.
Озеленение проводили путем сухого посева. Наиболее успешное озеленение было достигнуто на трехмерном гофрированном мате на Площадке II. Предполагается, что удерживающие свойства двумерного плоского противоэрозионного мата, используемого на Площадке III, недостаточны для частиц почвы и семян. В отношении Площадки I предполагается, что нижнее альбедо черных поверхностей вызывает более сильный нагрев склона, что в данном случае привело к быстрому высыханию семян или вообще к их непрорастанию.
С учетом накопленных результатов в 2003 году были проведены испытания в реальных условиях с использованием трехмерного геомата. Целью было изучение удерживающих свойств мата, его адаптируемости к подложке и его проницаемости при распылении. Финалистом стал противоэрозионный мат толщиной 18 мм, изготовленный из экструдированного одиночного непрерывного волокна с поверхностной плотностью 600 г/м2. Доля пустот составляет >95%. На рисунке 8 показаны испытательные площадки (г. Бишофсцелль, Швейцария).
Рисунок 8. Испытательные площадки и контрольные рамки во время посева.
Противоэрозионные маты (геоматы) были размещены в правом углу. Другие поверхности являются опорными поверхностями без противоэрозионных матов и/или аналогичных изделий, изготовленных из полипропилена. Для исследования проницаемости использовались деревянные рамки площадью 1 м2. Их можно увидеть внизу фотографии.
Компания Verdyol (Швейцария) проращивала семена на испытательной площадке путем гидропосева. В этом процессе воду смешивают с семенами, мульчей и клеем из водорослей. Мульча представляет собой так называемую экспортную мульчу, изготовленную из полых волокон длиной <4 мм. Примерно через 4 недели после посева семян на испытательной площадке прошел сильный ливень, что вызвало поверхностные оползни на склоне. Еще через 6 недель исследование площадки показало, что количество семян на испытательной площадке уменьшилось примерно до 10%. Соответственно, была отмечена низкая прорастаемость. Более 90% поверхности на площадке с геоматом, имеющей наклон 30 –45°, покрывал слой растительности (рис. 9). Рисунок 9. Испытательная площадка примерно через 10 недель после гидропосева и сильного ливня. Слева – исходная поверхность без противоэрозионного мата с <10% прорастания. Справа – поверхность с геоматом, где прорастаемость >90%.
Исходя из этих результатов, в 2004 году на рынок был выпущен противоэрозионный мат TECMAT со следующими характеристиками (рис. 10):
экструдированные одиночные непрерывные волокна из полипропилена с петлеобразной структурой неправильной формы;
толщина 18 мм;
поверхностная плотность 600 г/м2;
доля пустот >95%;
цвет – зеленый карри.
Рисунок 10. Противоэрозионный мат TECMAT с плетеной сетью из высокопрочной металлической проволоки TECCO® G65/3 в зоне нагелей.
3 Примеры использования
3.1 Мирафлорес, Панама
Укрепление склонов с использованием системы TECCO® G65/3 на насыпи из скалистой породы со сложным рельефом. Противоэрозионный мат TECMAT можно адаптировать и к сложному рельефу. В некоторых местах образовались складки материала (рис. 11). Из-за хороших погодных условий на соседних площадках присутствует пышная растительность. На укрепляемой площадке появились первые всходы.
Рисунок 11. Укрепленная насыпь из скалистой породы в Мирафлоресе, Панама. Противоэрозионные маты и сети хорошо адаптируются к склону со сложным рельефом.
3.2 Ремшайд, Германия
Защита выветрелой породы после оползня с использованием системы TECCO® G65/3. Условия для прорастания на склоне хорошие. Насыпь относительно ровная. Трудно закрепить мат на «твердой» основе, поэтому присутствуют небольшие сдвиги TECMAT.
Рисунок 12. Укрепление выветрившейся породы на крутом склоне после оползня.
3.3 Дорндорф, Германия
Насыпь с ровным профилем из рыхлой горной породы. В зоне головок нагелей были вырыты углубления для использования высокопрочной металлической плетеной сети TECCO® G65/3. Противоэрозионный мат хорошо адаптирован к насыпи – он плотно прилегает с малой долей пустот под противоэрозионным матом (рис. 13).
Рисунок 13. Насыпь с ровным профилем из рыхлой горной породы с плотным противоэрозионным матом.
Три примера показывают, что применение комбинации противоэрозионных матов и высокопрочной металлической плетеной сети чрезвычайно сложно. На склонах со сложным рельефом (примеры 3.1 и 3.2) было обнаружено, что противоэрозионный мат не всегда равномерно прилегает к насыпи. Поэтому при гидропосеве важно, чтобы мат можно было наполнить экспортной мульчей (длина волокон <4 мм). Благодаря более низкой водопоглощающей способности синтетические маты менее склонны к скольжению под нагрузкой. В зависимости от характеристик подложки бывает трудно прикрепить мат. Пример 3.3 хорошо адаптируется к подложке. Мат не сдвигается даже при нагрузке. В любом случае мат должен подходить для распыления при посеве. 4 Усиление конструкции геотекстильного материала сетью из высокопрочной стальной проволоки Было очевидно, что систему можно оптимизировать с помощью соответствующих комбинаций противоэрозионных матов и высокопрочных стальных плетеных сетей. Во-первых, противоэрозионный мат был конструктивно усилен. Это позволяет снизить его скольжение. Дополнительным преимуществом является гораздо более простая сборка: противоэрозионный мат и высокопрочная металлическая плетеная сеть могут прикрепляться к склону одновременно. Предварительные испытания стандартного изделия были проведены в 2012 году с использованием высокопрочной сети DELTAX® G80/2. Внутренний диаметр ячейки – 80 мм, толщина проволоки – 2 мм. Несущая способность – 53 кН/м'. Сеть часто используется без драпировки, даже на крутых склонах, где присутствуют только небольшие камни. Усиление противоэрозионного мата обеспечивает достаточную поддержку для удержания небольших камней. Некоторые системы были применены с креплением грунта. Как описано в главе 3, противоэрозионный мат выдерживает нагрузки без ущерба не во всех случаях. Ожидается, что отдельные ниши и грунтовые выемки под сетью будут смещаться по направлению падения склона, особенно в случаях, когда мат трудно закрепить. Для обеспечения безопасности и сохранения озеленения на склонах, подверженных поверхностным оползням или проблемам общей устойчивости, необходимо было укрепить противоэрозионный мат с помощью высокопрочной металлической плетеной сети TECCO® G65/3 (рис. 14). Внутренний диаметр ячейки – 65 мм, толщина проволоки – 3 мм. Несущая способность – 150 кН/м' с устойчивостью к продавливанию 180 кН против пластины с шипами с длиной кромки 33 х 20 см. На рисунке 14 показано, что важен выбор мульчирующих волокон. Длинные волокна не способны достаточно хорошо проникать в противоэрозионные маты. Рисунок 14: TECCO® GREEN после гидропосева. 5 Выводы и перспективы В целом предпочтение следует отдавать биоразлагаемым, экологически чистым противоэрозионным матам. Тем не менее они могут быть наиболее полезны при применении на более крутых склонах. Трехмерные геоматы, например, изготовленные из полипропилена, имеют преимущества за счет меньшего веса и хороших удерживающих свойств. Совместимые по цвету, более легкие противоэрозионные маты меньше нагреваются и обеспечивают превосходные результаты озеленения. Кроме того, они почти незаметны. Конструктивное укрепление геотекстильного материала высокопрочными стальными плетеными сетями, которые используются в качестве противоэрозионных матов, расширяет область его применения за счет увеличения несущей способности. Поверхностные смещения глубиной слоя до 2 м могут быть укреплены высокопрочной стальной плетеной сетью с минимальной устойчивостью к продавливанию 180 кН. Такие решения могут быть спроектированы в соответствии с концепцией RUVOLUM. Общие смещения также можно укрепить, если произведены соответствующие расчеты. Кроме того, была изучена сочетаемость свойств синтетических и органических геоматов. Речь идет о непосредственном прикреплении мата и укреплении его кокосовым, джутовым волокном или древесной шерстью. Дальнейшие разработки натуральных геоматов на основе бумаги открывают широкие возможности. Озеленение насыпей, безусловно, очень сложный вопрос и зависит от многих факторов.
