Берегоукрепительные работы – это мероприятия, проводимые в целях защиты берегов рек, каналов и водоемов от разрушения. Понятие берегоукрепительные работы обычно содержит в себе комплекс работ по защите берегов приемущественно от динамического воздействия воды (воздействия волн, завышенной скорости течения и т.п.). Значимость укрепления берегов каналов и рек в особенности растет при существовании пароходного движения, потому что производимые пароходами волны являются главными разрушителями берегов. Следует учесть, что берегоукрепительные работы не могут быть разделены от работ по выправлению русла рек. Берегоукрепительные работы, выполняемые в критериях просто разжижаемых и разрушаемых водой грунтов, входят в комплекс выправительных работ. Довольно огромные колебания уровня воды, наличие широких пойм, также образование на многих реках наледей и донного льда значимым образом удорожают и осложняют проведение берегоукрепительных работ. Вновь построенные, строящиеся и намечаемые к строительству каналы ставят берегоукрепительные работы в ряд очень сложных и ответственных работ в строительстве.
При проведении берегоукрепительных работ могут применяться самые разные строй материалы: камень, кирпич, бетон, железобетон, хворост, земля, сваи и т.д. Используемый для фашинных работ хворост может быть разнородным либо только ивовым. Разнородный хворост обычно употребляется только для тех частей укреплений берегов, которые повсевременно находятся под водой. В Средней Азии и на Кавказе фашины часто изготавливались из гребенщика, который довольно отлично сопротивляется тлению. Используемые фашины из тростника в силу собственной недолговечности рассматриваются только как временные, неприменимые для сколько-либо суровых сооружений. Камешки, применяемые при берегоукрепительных работах, должны быть устойчивыми к размыванию. Более применимыми для этих целей являются граниты, кварциты и плотные известняки. Земля употребляется при устройстве хворостяных сооружений в качестве балласта для погрузки хворостяной кладки в воду. Колья, применяемые при хворостяных работах, делаются из толстых веток и тонких стволов деревьев, а сваи — из круглого леса. Веревки (так именуемые «снасти») при всем этом употребляются пеньковые, смоленые. Для вязки томных фашин употребляется отожженная проволока. К главным берегоукрепительным работам на реках, производимым из вышеперечисленных материал
ов, относятся хворостяная выстилка, погружение томных фашин, каменная эскиза, каменная сухая кладка и одерновка откосов.
Выбор метода укрепления берегов находится в зависимости от типа берегового грунта, нрава его разрушения, очертания берега в плане, режима и нрава стока реки, также имеющихся местных либо просто доставляемых дешевеньких строй материалов. Высота, до которой делается укрепление берега, впрямую находится в зависимости от уровней воды и льда. Верхние части берегов, находящиеся выше горизонта самых больших вод обычно крепят исключительно в тех случаях, когда они не защищены растительностью либо разрушаются независимо от ее воздействия. Разрушительное воздействие наружных воздействий проявляется приемущественно в нижней части берега — ниже горизонта «средних» вод. Потому берега крепят в главном в их нижней части. Для укрепления подводной части берега часто применялись фашинные тюфяки с загрузкой их камнями, также и просто каменная эскиза.
При укреплении берегов каналов, как вариант, по урезу наинизшего горизонта воды в канале могут забиваться сваи. Конкретно за ними могут закладываться доски, а за ними устраиваться призмы из сухой каменной кладки.
Раздельно следует написать об укреплении береговых откосов рек и каналов габионами. Укрепление откосов габионами состоит в последующем. Из металлической покрытой цинком проволоки сплетаются формы-ящики, заполняемые в последствие камнями. Габионы (обычно призматической либо цилиндрической формы) связываются меж собой, в итоге чего выходит массив, довольно отлично сопротивляющийся сдвигу и размыву. Обычно из габионов поначалу устраивают основание, а потом уже и саму рабочую часть берегоукрепительного сооружения. Основание часто делается из относительно тонких габионов шириной около полметра. Рабочая же часть может состоять из габионов разных размеров, расположенных в один либо несколько рядов, сообразно с высотой, которую ей хотят придать.
В тех случаях, когда скорости течения невелики, для защиты от размыва пологих и довольно широких подводных откосов берегов, состоящих из мелкопесчаных и илистых наносов, часто применялись маты из тонких ивовых веток. Такие маты вязались на месте их укладки на суднах. Делались они шириной до пятидесяти метров. Судна передвигались повдоль берега, и маты равномерно спускались на подводные береговые откосы. Погружение таких матов выполнялось средством эскизы на их камешков. Тут же следует упомянуть и о практике проведения берегоукрепительных работ с внедрением гранитных плит, железобетонных и асфальтовых «одежд».
Кроме обрисованных выше методов воплощения берегоукрепительных работ в текущее время применяется и целый ряд более современных технологий (устройство большой георешетки с наполнением щебнем, берегоукрепление на базе шпунтовых стенок из ПВХ, применение мини земснарядов и т.д.). Выбор рационального метода должен определяться спецом зависимо от определенных критерий.
Проблема укрепления береговой линии особенно волнует тех людей, чьи объекты недвижимости располагаются вблизи водоемов, имеющих искусственное или естественное происхождение. Красивый вид на водную гладь повышает привлекательность жилых и коммерческих строений, оказывая влияние на их стоимость. Чтобы дольше радоваться общению с водной стихией, необходимо своевременно провести работы по берегоукреплению. В противном случае вода, обладая большой разрушительной силой, может спровоцировать постепенное оседание почвы в прибрежной зоне и даже способствовать ее частичному обвалу. Подмытые берега опасны для человека и его имущества (движимого и недвижимого), так как грунт может в любой момент просто «уйти из-под ног». Данные процессы негативно влияют и на растения, высаженные на участке ландшафтными дизайнерами. Лучше заранее позаботиться об укреплении берегов водоема, не дожидаясь появления тревожных симптомов начинающегося разрушения прибрежной зоны. Если провести профилактические мероприятия своевременно не удалось, то процесс разрушения берега можно приостановить. Существует несколько эффективных технологий, позволяющих выполнить работы по берегоукреплению на высоком уровне.
Снизить до минимума вероятность повреждения береговой полосы от разрушающего воздействия воды позволяет капитальное берегоукрепление. К данной группе берегоукрепительных работ можно отнести технологии, основанные на использовании габионов, геоматов, шпунтов, гидротехнических сортов бетона, специальных объемных ж/б конструкций.
Способ #1 – габионы
Габионами называют сетки, изготовленные из оцинкованной проволоки двойного кручения, которые на месте монтажа раскладываются в короба, заполняемые вручную крупным природным камнем. Для надежного крепления отдельных конструкций к грунту применяют специальные анкера. Между собой короба скручиваются проволокой. После частичного заполнения габиона каменной засыпкой устанавливают так называемые «расчалки», которые не дают противоположным стенкам короба «расходиться» в стороны.
Берега водоемов, укрепленные габионными сооружениями, не размываются и не оплывают. В течение долгих лет сохраняется контур береговой линии, заданный при проведении берегоукрепительных работ. Данная технология, давно используемая в Европе, нашла себе применение и в России. Увидеть габионные сооружения можно на прудах, реках, обводных каналах и других водоемах.
Береговая линия реки аккуратно оформлена габионными конструкциями, имеющими строгую геометрическую форму. Природный камень, находящийся в сетчатых коробах, отлично гармонирует с осенним лесом
Способ #2 – шпунт ПВХ
Шпунтовые сваи, изготовленные на основе ПВХ и композитных материалов, позволяют в кратчайшие сроки укрепить береговую линию. Этот метод берегоукрепления считается малобюджетным. Более всего шпунт ПВХ подходит для обустройства крутых берегов. Одним из преимуществ данного материала является возможность его вторичного использования. При монтаже отдельные шпунтовые сваи выстраиваются в сплошную плотную стенку. Надежное соединение соседних элементов обеспечивается продольным реберным выступом, имеющимся на каждой шпунтовой свае. Погружение одиночных или спаренных шпунтов из ПВХ осуществляется с помощью автономного гидравлического оборудования, подбираемого с учетом грунтовых условий.
Схематичное представление установки шпунтовых свай, изготовленных из ПВХ-материалов, позволяющих укрепить крутой отвесный берег искусственного или естественного водоема
Декоративное берегоукрепление
Ко второй группе материалов, используемых в мероприятиях по берегоукреплению, относят природный камень и деревянные сваи. Эти натуральные материалы способны не только защитить берега водоемов от эрозийных процессов, но и придать им эстетическую привлекательность.
Способ #1 – деревянные сваи
В качестве исходного материала для изготовления бревенчатых свай применяются твердые породы дерева. Чаще всего для этих целей выбирается лиственница или дуб. Большее предпочтение отдается восточносибирской лиственнице, способной, находясь в воде, сохранять свои свойства в течение полувека. Отвесный берег, обрамленный ошкуренными лиственничными стволами, тщательно подобранными по диаметру, смотрится очень эффектно. Особенно, если поблизости от зеркала воды находится строение, возведенное из оцилиндрованного бревна. Бетонные укрепительные сооружения, конечно же, проигрывают деревянным сваям, так как выглядят серо и уныло. Однако со временем древесина может потемнеть, что ухудшит декоративные качества берегоукрепительного сооружения. Скорость потемнения бревен зависит от количества органики в воде. При выборе породы дерева следует учитывать климатические особенности региона.
Монтаж деревянных свай может быть проведен с берега путем использования спецтехники или простым ручным способом. Современные модели земснарядов позволяют установить деревянные сваи со стороны водоема. Укрепление берегов водоемов с помощью бревен нецелесообразно проводить на подвижных и рыхлых грунтах.
Аккуратный ряд бревен лиственницы подчеркивает красоту берега водоема, предотвращая его деформацию под воздействием разрушительной силы воды. Укрепление берега деревянными сваями обеспечивает безопасный подход к водоему
Способ #2 – природный камень
Отсыпка береговой линии природным камнем разной величины применяется на пологих берегах большой протяженности. Величина угла уклона берега не должна превышать 20 градусов. При наличии подъездных путей для подвоза валунов или гальки используется автотранспорт. В труднодоступных местах работы проводятся ручным способом. Перед укладкой камня проводится в обязательном порядке подготовка поверхности берега. Если пренебречь эти этапом, то камни попросту утонут в грунте, насыщенном водой. Чтобы этого не произошло, надо уложить на укрепляемую береговую зону несущую основу, в качестве которой может быть использован такой материал, как геотекстиль, геосетка или георешетка.
Пологий берег водоема укрепляется объемной георешеткой, ячейки которой заполняются мелкофракционным щебнем. Стенки ячеек предотвращают сползание щебня в русло водоема
Устройство каменного замка при сооружении береговой линии искусственного декоративного водоема. Кропотливая работа по укладке валунов выполняется каменщиками вручную
Более трудоемким способом считается укрепление береговой полосы водоема с помощью устройства «каменного замка». Данным термином на языке профессиональных каменщиков принято называть плотную укладку валунов (камней, диаметр которых превосходит 10 см). Для каждого валуна выбирается место укладки, с учетом его формы и цвета. При этом большие камни переносятся мастером-каменщиком вручную. За смену профессионал своего дела способен перетащить несколько тонн валунов. Этот способ берегоукрепления сопряжен с большими физическими усилиями, зато в итоге получается не только укрепить линию берега водоема, но и придать ей особый, неповторимый облик.
Укрепление берегов с помощью биоматов и растений
Наиболее трудоемким и затратным по времени считается метод берегоукрепления, основанный на биоинженерных технологиях. При этом подходе берега водоема защищают от размыва:
- биоматы, изготовленные из льняных или кокосовых волокон;
- растения, специально подбираемые специалистами для высадки вдоль береговой линии;
- дерево и природный камень.
В качестве растений чаще всего используются ивовые деревья (ива, черный тополь и др.), а также кустарники (облепиха, аморфа, пузыреплодник и др.). Подходят также макрофиты, к которым относят осоку, рогоз, тростник, ирис болотный, манник, аир, ситник и другие виды растительного мира, прекрасно соседствующие с водой. У всех растений должна быть мощная, хорошо разветвленная, корневая система. Растения подбирают с учетом степени их устойчивости к затоплению. На прибрежную зону укладывается готовый дерн. Этот процесс называется одерновкой берегового откоса.
Укрепление берегов искусственного пруда, сооруженного на месте бывшего оврага, проведено с помощью высадки растений и ивовых деревьев
Биоинженерный способ укрепления берегов применяют на водоемах, скорость течения воды в которых не превышает 1 м/с.
Сроки проведения берегоукрепительных работ
При устройстве искусственного водоема на приусадебном участке работы по укреплению берегов будущего сооружения лучше всего провести на стадии разработки котлована.
Установку бревенчатых свай производят на стадии формирования чаши искусственного водоема. После оформления береговой линии приступают к ее заполнению водой
Если планируется реализация масштабного проекта, то берегоукрепительные работы доверяют профессиональным компаниям, располагающим специальным оборудованием и обученными кадрами. На естественных водоемах работы проводятся в удобное время профилактических целях или в сжатые сроки при появлении угрозы разрушения береговой линии. Своевременное решение проблемы позволит сэкономить средства и не допустить катастрофических последствий для объектов, построенных на берегу водоема.
Назначение и виды береговых укреплений. Береговые укрепления возводят при коренном улучшении затруднительных участков в реках с различными типами руслового процесса. Они защищают берега рек от размыва течением, судовыми волнами, грунтовыми водами, а также от разрушения ледоходом. Береговые укрепления позволяют закрепить судовой ход у ведущего берега, ликвидировать источники поступления наносов в реку, предупредить повреждения гидротехнических сооружений у берегов, сохранить строения, земли и леса в прибрежной полосе реки.
Основная задача берегоукрепительных работ состоит в предотвращении размыва вогнутых берегов. Для этого проводится анализ русловых переформирований участка, чтобы установить протяжение подверженного размыву откоса берега, а также анализ гидрологических данных (высота уровня, скорость течения, количество наносов и др.), которые позволяют выбрать вид береговых укреплений и их конструкцию.
Различают береговые укрепления активного и пассивного действия. Первые заметно влияют на структуру потока в районе берега, а вторые – только защищают береговой откос от размыва.
Основными укреплениями, влияющими на структуру потока у берега, являются берегозащитные шпоры (короткие высокие полузапруды). Система таких шпор обычно располагается у вогнутого берега, способствуя уменьшению скоростей течения вдоль защищаемого берегового откоса, что приводит к уменьшению и даже к прекращению размыва берега, а в ряде случаев и к образованию нового берегового откоса после заполнения наносами промежутков между шпорами. Иногда шпоры возводят при строительстве полузапруд для обеспечения устойчивости противоположного легкоразмываемого прямолинейного или слабоизогнутого берега, чтобы обеспечить необходимый размыв дна в пределах судового хода.
Берегоукрепительные высокие шпоры особенно эффективны на малых и средних реках, где после непродолжительного высокого паводка с большими скоростями течения наблюдается длительная межень с малыми скоростями течения. На таких реках только в половодье наблюдается размыв берегов, который удается предотвратить такими шпорами.
Другим видом берегоукрепительных сооружений, влияющих на структуру потока, являются укрепления берега, создающие дополнительную шероховатость русла вблизи размываемого берега или непосредственно на его откосе. К таким укреплениям относятся: сквозные свайные ряды; свайные козловые кусты; гибкие металлические тюфяки из проволоки; искусственные водоросли и др. Основное назначение этих укреплений – уменьшение скоростей течения в районе берегового откоса созданием дополнительного сопротивления потоку.
Особенно хорошие результаты получаются при использовании таких укреплений на реках, где поток переносит большое количество наносов. В этом случае защита берега от размыва способствует отложению более крупных наносов в зоне расположения таких укреплений. В результате образуется устойчивый береговой откос, обеспечивающий благоприятные условия для судоходства.
Пассивными укреплениями, защищающими берега от размыва, являются береговые покрытия. Они закрепляют благоприятное для судоходства положение размываемого берега или защищают выправительные и другие сооружения от обхода потоком в местах их примыкания к берегу.
Береговые покрытия могут быть сплошными, закрепляющими береговой откос на всей длине его размыва, или ленточными, которые покрывают только отдельные по длине части берегового откоса (ленты) , расположенные через определенные расстояния.
Сплошные береговые покрытия оказываются наиболее эффективными при улучшении судоходных условий на реках со сравнительно невысоким, но продолжительным паводком и значительными скоростями течения. На таких реках размыв берегов происходит в течение длительного периода времени, поэтому предотвратить его разрушение удается только сплошным покрытием берега.
Сплошное укрепление берегового откоса при высоких и непродолжительных паводках требует больших затрат и может быть оправдано преимущественно в тех случаях, когда оно необходимо для нескольких отраслей народного хозяйства.
Расчет берегозащитных шпор. При расчете берегозащитных шпор сначала определяют их длину, высоту и расстояние между ними , а затем проверяют устойчивость крепления голов грунтовых шпор при обтекании их потоком и при воздействии на них ледовых нагрузок.
Длина каждой шпоры определяется очертанием создаваемого берегового откоса, т.е. расстоянием между существующей линией (урезом) берега и границей выправительной трассы, и составляет обычно 20-50 м (рис. 10.39). Расшифровка буквенных обозначений дана выше, применительно к формулам (10.44-10.50).
Рис. 10.39. Берегозащитные шпоры:
а – план расположения сооружений; б – продольный разрез по оси сооружения
Берегозащитные шпоры существенно выше, чем полузапруды меженного действия. Отметки гребней их голов обычно принимают без особого расчета на 2.5-3.5 м над проектным уровнем. При этом гребню шпоры конструктивно придается продольный уклон от 1:10 до 1:25 с подъемом к берегу, к которому они примыкают. Часто отметка гребня их корня совпадает с меженной бровкой берега.
Речной откос головы шпоры обычно имеет заложение от 2.5 до 3.0 , а заложения верхнего (напорного) откоса и нижнего (сливного) откоса зависят от технологии возведения и крупности грунта, из которого отсыпается тело сооружения. При намыве землесосом шпор из песка в поток со скоростью течения от 0.5 до 1.5 м/с заложение верхнего откоса составляет примерно 3-5 , а нижнего 5-15 .
При отсыпке тела сооружения с помощью одночерпаковых или многочерпаковых снарядов или пионерным способом с помощью бульдозеров, заложения откосов получаются существенно меньше. Приближенно можно принимать заложение верхнего откоса равным т в =т 0 + 0.5 , а нижнего – m н = m 0 +1.0 , где т 0 – заложение откоса из того же материала в спокойной (без течения) воде.
Расстояние между шпорами, расположенными на прямолинейном или слабокриволинейном участке русла (см. рис. 10.39, а), назначают равным критическому расстоянию, вычисляемому по выражению
, (10.44)
где: – коэффициент, показывающий, во сколько раз расстояние S кр от головы сооружения до точки пересечения кривой растекания потока с границей выправительной трассы больше длины шпоры l ш .
Коэффициент зависит от сопротивления русла движению потока, определяемого гидравлическим коэффициентом сопротивления
, (10.45)
где: С – коэффициент Шези;
В – бытовая ширина русла;
h с – средняя глубина в поперечном сечении.
Численное значение коэффициента определяется по номограмме (рис. 10.40), на которой h ш – средняя высота шпоры. Штриховая линия показывает последовательность при пользовании номограммой.
Рис. 10.40. График зависимости коэффициента
=
f
(B
,
,h
ш
/h)
При проектировании шпор на криволинейном участке вогнутого берега критическое расстояние находится по следующему выражению
.
(10.46)
Параметры и определяются по следующим формулам:
, (10.47)
, (10.48)
где: r 0 – осредненный радиус кривизны вогнутого берега (выправительной трассы) .
Проверка устойчивости крепления шпоры из каменной наброски сводится к определению диаметра камней, которые будут находиться в состоянии равновесия под действием течения в районе головы шпоры. Такой расчет можно сделать по формуле В.В. Баланина
, (10.49)
где: г – скорость течения около головы шпоры ;
– угол наклона речного откоса головы шпоры ;
к и – плотность, соответственно, камня и воды .
При этом скорость у головы шпоры определяют по формуле В.В. Дегтярева
, (10.50)
где: б – скорость течения в районе головы шпоры в бытовом состоянии при уровне, совпадающем с отметкой гребня головы шпоры ;
ш – площадь поперечного сечения, занимаемая телом шпоры ;
– полная площадь поперечного сечения в створе сооружения при отметке уровня воды вровень с гребнем головы шпоры .
При возведении шпор из грунта и других мелкообломочных материалов сооружения получаются достаточно массивными. Поэтому во время кратковременного ледохода возможны только местные повреждения верхового откоса в виде отдельных выпоров грунта выше места удара плывущей льдины. Чтобы обеспечить длительную работу, головная (верхняя по течению) шпора, воспринимающая основную нагрузку от ледового воздействия, делается более массивного профиля с укреплением верхового и низового откосов, а также гребня и головы сооружения.
Расчет береговых покрытий. При расчете берегового покрытия в первую очередь находят его длину и ширину и определяют крупность камня или толщину железобетонных плит, либо асфальтового тюфяка. Кроме этого, проверяется устойчивость укреплений на воздействие волн и ледовых нагрузок.
Для выбора укрепления размываемого берегового откоса, прежде всего, проверяют его на устойчивость от воздействия скоростей течения. Для определения скоростей течения в струе у берега строят натурные или теоретические планы течения на улучшаемом участке реки при расчетных уровнях воды: средневысокий уровень паводка и среднемеженный уровень воды. Если средневысокий уровень паводка выше отметок поймы, то за расчетный принимается уровень воды вровень с отметками пойменных или меженных бровок берега, так как в это время наблюдаются наибольшие скорости течения в меженном русле.
Полученные в результате построения планов течения значения скоростей течения в струе, примыкающей к береговому откосу, позволяют обоснованно выбрать такой тип укрепления берега, при котором будет обеспечена надежная защита берегового откоса от размыва потоком. При этом допускаемая скорость течения для выбранного укрепления должна быть больше максимальной расчетной скорости потока с некоторым запасом.
Таблицы значений допускаемых скоростей для различных типов укрепления берегов приведены в соответствующих технических условиях, ведомственных нормах и правилах проектирования береговых укреплений, например, в Руководстве по улучшению судоходных условий на свободных реках .
Длина укрепления берегового откоса устанавливается на основе анализа совмещенных планов участка реки и планов течения при характерных уровнях воды за несколько лет. При этом начало и конец укрепления выбираются с запасом в 15-20 м по сравнению с началом и концом зоны размыва берега.
Для определения ширины берегового укрепления откос разбивается на четыре зоны: I – зону подводного откоса (ниже низких меженных уровней); II – зону переменных уровней (во время весеннего и летне-осеннего паводков); III – зону наката волн и нагонных явлений; IV – зону надводного откоса (см. рис. 10.41).
Ширина крепления в каждой зоне равна
, (10.51)
где: Н i – высота зоны ;
m i – заложение (пологость откоса берега в зоне) .
Высоту первой зоны Н 1 которая является запасом в креплении надводного откоса над высотой наката волн на берег с учетом высоты ветрового нагона воды у берега, принимают согласно строительным нормам и правилам, как для сооружений III - IV класса , соответственно, не менее 0.5-0.3 м при вероятности превышения наибольшего уровня воды соответственно 3-10%.
Высота второй зоны Н 2 равняется сумме высот наката h н волны на откос и ветрового нагона воды h
. (10.52)
Рис. 10.41. Схема к расчету берегового укрепления (покрытия):
1 – первоначальное положения подводной части покрытия; 2 – береговое покрытие;
3 – укрепление горизонтального участка низкого (затопляемого) берега
При этом высоту наката волны вычисляют по формуле
, (10.53)
где: К ш – коэффициент шероховатости и проницаемости откоса или крепления ;
h ш и в – соответственно высота ветровой или судовой волны и длина волны ;
т – заложение откоса берега .
Высота ветрового нагона воды у берега
, (10.54)
где: K – коэффициент пропорциональности ;
в – расчетная скорость ветра на высоте 10 м от поверхности воды ;
D – длина разгона волны ;
h c – средняя глубина водоема вдоль линии разгона ;
– угол между нормалью к линии берега и направлением ветра .
Расчет на высоту наката ветровой волны и нагон воды выполняют только при укреплении берегов на устьевых участках больших рек, а на судовую волну – только на небольших реках и в узких судоходных рукавах разветвлений русла, а также на участках, где судовой ход проложен вблизи берега.
Высоту третьей зоны Н 3 определяют по данным многолетних наблюдений за уровнями воды по опорному гидрологическому посту как разность среднего из наибольших уровней весеннего паводка и низкого меженного уровня. Если средний из наибольших уровней паводка выше пойменного берега, то высоту третьей зоны находят как разность отметок поймы и низкого меженного уровня.
Кроме того, при такой низкой пойме величины H 2 и b 2 равны нулю, а ширина крепления b 1 заходит за бровку пойменного берега и принимается равной примерно 3-5 м .
Высота четвертой зоны H 4 равна сумме бытовой глубины h б у подошвы откоса при низком меженном уровне воды и глубины возможного местного размыва h p неукрепленного дна в том же месте после выполнения берегоукрепительных работ:
. (10.55)
Глубину местного размыва неукрепленного дна непосредственно около конца подводного крепления можно приближенно определить по формуле И.А. Ярославцева
, (10.56)
где: c – средняя скорость течения в струе у берега ;
m = ctg – заложение подводной части откоса берега ;
– угол между направлением течения при расчетном паводке и направлением берегового откоса (принимают не менее 30°) ;
d – диаметр частиц грунта на дне, который по кривой гранулометрического состава принимают соответствующим 85% обеспеченности (при d < 1 мм последний член в этой формуле можно не учитывать) .
Таким образом, полная ширина крепления берегового откоса
. (10.57)
При отсутствии необходимых данных для выполнения расчетов глубины местного размыва дна у низа крепления, ширина крепления у интенсивно размываемых крутых берегов доводится до линии наибольших глубин. Если подводный откос в нижней части заметно уполаживается, то крепление дна доводится до подошвы откоса с запасом 10-15 м .
Заложения откосов для надводного откоса при всех конструкциях укрепления, кроме биологических и каменной наброски, не должны быть круче 1:2 во избежание оползания укрепления откосов.
При наличии волнового воздействия на береговое укрепление масса камня, который будет находиться на откосе в состоянии предельного равновесия, определяется по формуле
, (10.58)
где: к и – соответственно плотность камня и воды ;
h в и в – соответственно высота и длина волны ;
т – заложение откоса каменной наброски .
Зная массу камня, который будет устойчив на откосе при воздействии волны, расчетная крупность (диаметр)
. (10.59)
Толщина крепления из наброски сортированного камня должна быть не менее t к 2.5 d к , а при использовании несортированного камня t к 3 d к .
Расчет крепления берега из железобетонных плит сводится к нахождению их толщины по формуле
, (10.60)
где: в – значение волнового противодавления ;
пл и – соответственно, плотность плиты и воды ;
– угол наклона защищаемого откоса берега к горизонту .
При использовании в качестве берегового укрепления гибких железобетонных покрытий их толщину определяют по формуле И.Я. Ярославцева
(10.61)
где: и K – коэффициенты, учитывающие соответственно сплошность покрытия и усилия от пульсационной нагрузки при волновом воздействии ;
c – средняя скорость течения в районе берега .
Значения коэффициентов и K приведены в табл. 10.1.
Морей, озёр , водохранилищ , каналов и др.) от разрушающего воздействия волн, течений, напора воды и льда и других природных факторов. Берегоукрепительные сооружения возводятся для предупреждения разрушений берегов и затоплений населённых пунктов, промышленных объектов, дорог, мостов, линий связи, ценных лесных и сельскохозяйственных угодий, культурных и исторических памятников и т.п.
Требования, предъявляемые к берегоукрепительным сооружениям: эффективность работы и надёжность (долговечность) конструкций, простота устройства, возможность максимального использования местных строительных материалов и проведения ремонтно-восстановительных работ, экономичность.
Берегоукрепление производят в пределах акваторий портов и на открытых побережьях. В первом случае оно призвано защитить от размыва незастроенные участки береговой линии и обеспечить благоустройство территории порта. Во втором случае берегоукрепительные сооружения строятся для защиты от размыва участка сопряжения прибрежной полосы с курортными комплексами, населёнными пунктами, промышленными объектами, железными и автомобильными дорогами.
Укрепление берега особенно актуально при сооружении водоотводных каналов, водосбросов дамб , при строительстве опор, конусов мостов, насыпей для железнодорожных путей, автомагистралей.
По основному материалу берегоукрепительные сооружения подразделяются на деревянные, каменные, стальные, бетонные и железобетонные.
По характеру взаимодействия с водным потоком берегоукрепительные сооружения подразделяются на активные, использующие энергию потока на работу по намыву и сохранению береговых наносов, и пассивные, противопоставляющие водному потоку только прочность и устойчивость своей конструкции.
К активным берегоукрепительным сооружениям на морях и озёрах относятся наносозадерживающие полузапруды (буны), молы и волноломы, на реках – поперечные полузапруды, регулирующие дамбы, струенаправляющие щиты.
Пассивные берегоукрепительные сооружения на морях – волноотбойные стены, наброска из крупных блоков и фигурных массивов, на реках – каменная наброска, тюфяки, габионы, бетонные и железобетонные плиты и др.
Выбор комплекса берегоукрепительных сооружений и их типов зависит от рельефа берега, его гидрогеологического режима и геологического строения.
Мол – гидротехническое оградительное сооружение для защиты акватории порта от волнения, примыкающее одним концом к берегу. Одновременно мол может служить для размещения причалов и перегрузочных устройств.
В портах, расположенных на открытом берегу, сооружают два сходящихся или параллельных мола с воротами между ними (парные молы). Если порт расположен в бухте, берега которой частично защищают акваторию от ветра и волн, обычно ограничиваются одним молом. Конструкция и тип мола в основном определяются гидрологическим режимом и геологическими условиями района расположения порта.
Различают молы:
- откосного типа – сооружаемые наброской из камня или бетонных массивов;
- вертикального типа – в виде стенок, возводимых из каменной кладки, бетонных или железобетонных массивов;
- комбинированного типа (сочетание первых двух типов).
Головная (выдвинутая в море) часть мола делается на 1–1,5 м выше остальной, и на ней устанавливают сигнальный огонь или маяк.
Волнолом , или волнорез – гидротехническое сооружение на воде (в море, на озере, водохранилище или реке), предназначенное для защиты береговой линии или акватории порта от волн, течений, льда и наносов. От мола отличается тем, что не примыкает к берегу.
Различают волноломы гравитационного типа, свайные, плавучие, гидравлические, пневматические, оградительные (окруженные водным пространством) и берегозащитные (расположенные непосредственно у берега).
Щит струенаправляющий предназначен для направления потоков и увеличения пути движения сточных вод в сооружениях очистки.
Полузапруда (буна, поперечная дамба) – гидротехническое сооружение, предназначенное для регулирования режима водного потока и защиты морского или речного берега от размыва. Для устройства полузапруды применяют грунт, камень, бетон, фашины, габионы. Устанавливают полузапруды вертикально или под некоторым углом к берегу. Донные полузапруды служат для предохранения от размыва оснований береговых сооружений (дамб, подпорных стенок и др.).
В зависимости от целей и местных гидротехнических условий в берегоукреплении используются различные конструкции и материалы. Берегоукрепительные сооружения могут быть выполнены в виде стенок набережных или в виде укрепительных одежд, уложенных на соответствующим образом спланированный откос берега.
Откосное берегоукрепление может быть выполнено быстрее и со значительно меньшими затратами, чем сооружение стенок набережных. Однако берегоукрепительные сооружения этого типа не всегда могут быть применены. Необходимо иметь в виду, что если берег реки, подлежащий укреплению, достаточно высок и сложен слабыми горными породами, то для обеспечения устойчивости откоса потребуется выделить полосу территории значительной ширины (при высоте берега 15 м над уровнем воды и среднем уклоне откоса 1:3 потерянная полоса территории составит 45 м). Отказ от использования такой значительной полосы береговой территории при ограниченных размерах строительной площадки не всегда возможен.
Откосное укрепление берега также не может быть применено в случае необходимости использования береговой полосы для причала судов и организации погрузочно-разгрузочных работ.
При благоустройстве береговой полосы в пределах населённого пункта могут применяться как откосные берегоукрепительные сооружения, так и набережные стенки в зависимости от архитектурно-планировочного решения береговой полосы.
При проведении берегоукрепительных работ в зоне зелёных насаждений находят применение комбинированные двухъярусные берегоукрепительные сооружения, состоящие из низкой, затопляемой паводковыми водами подпорной стенки и откоса, закреплённого дерновым покровом и кустарниковой растительностью. Набережные такого типа, помимо их основного использования как берегоукрепительных сооружений, могут также служить для организации отдыха населения.
В комплекс городских набережных, помимо берегоукрепительных сооружений, входят специальные устройства в виде сходов – причалов, лестниц и др. Стенки городских набережных покрывают на уровне тротуаров карнизным камнем и ограждают решетками или парапетами.
Ю.В. Богатырева, А.А. Беляков
Волноотбойные стенки .
Отличаются такие стенки по функциям и условиям работы в зависимости от их расположения на защищенных (портовых) акваториях или на открытых побережьях.
Портовые вертикальные стенки. Помимо берегозащиты, часто служат и причалами для отстоя мелких судов. Работая в условиях сравнительно небольшого волнения (h =1,0–1,5 м), они относительно просты в устройстве.
Гравитационные стенки выполняют, как правило, из кладки бутобетонных массивов с каменной призмой и щебеночным контрфильтром (рис.), шпунтовые стенки – в виде заанкеренного больверка (рис.). Общим недостатком этих сооружений является их свойство отражать волны, что приводит к образованию толчеи на акватории порта.
а – портовая гравитационная из бетонных массивов; б – то же, шпунтовая с разгрузочной тыловой призмой; в – внепортовая без пляжа (бермы); г – то же, с пляжевой зоной; 1 – массивы; 2 – крепление откоса булыжником; 3 – анкерная тяга; 4 – шпунтовая стенка.
Внепортовые волноотбойные стенки работают в условиях штормового волнения открытых участков побережья. Они значительно сложнее и разнообразнее по устройству. С целью смягчения волновых ударов и снижения высоты всплесков, а также для отбрасывания массивов воды от защищаемого берега или сооружения лицевой грани стенок часто придается сложное криволинейное очертание, вырабатываемое в результате предварительных лабораторных исследований и изучения опыта эксплуатации существующих сооружений. Стенки подвергаются интенсивному истирающему воздействию песка и гравия во время штормового волнения, поэтому их лицевые грани покрывают соответствующей антиабразионной облицовкой. Интенсивность волнового воздействия в значительной степени зависит от наличия или отсутствия перед сооружением пляжной полосы, бермы или другой защитной зоны.
Стенки без пляжа (бермы) подвергаются особенно сильным волновым ударам, сопровождающимся высокими всплесками, большими размывающими скоростями и интенсивным стирающим воздействием твердых частиц. Возводят их при небольших волнениях. Для защиты от подмыва повышения устойчивости бермы либо заглубляют в грунт, либо опирают на мощный упорный массив, либо снабжают зубом (рис.).
Стенки с пляжной зоной (рис.) испытывают значительно меньшее воздействие волн, гасящих часть своей кинетической энергии и защитной пляжной зоне. При достаточной ширине пляжа такие стенки испытывают воздействие волн лишь при сильных штормах.
Стенки с защитной бермой возводят при отсутствии пляжной зоны. Берма ослабляет удар волны о стенку, однако не уменьшает истирающего действия твердых частиц, так как скорость и сила волнового потока в этих условиях могут заметно возрасти.
Стенка с береговым барьером испытывает смягченные удары волн и ослабленное воздействие потока. Конструктивно береговой барьер обычно выполняют в виде массивовой наброски.
Все типы волноотбойных стенок испытывают, помимо волновых нагрузок и воздействий распорное давление грунта со стороны берега.
Откосные берегозащитные сооружения и укрепления отличаются между собой, прежде всего конструкцией защитного слоя (одежды) откоса, выполняемой из камня, бетонных плит или массивов, различного рода синтетических материалов и т.п.
Каменно–набросанные откосные сооружения наиболее просты по устройству. Они представляют собой выровненную наклонную либо ступенчатую двухслойную (верхний слой из камня массой 0,75 – 100 кг, нижний – 30 кг) каменную наброску толщиной порядка 1, подстилаемую контрфильтром из щебня или гравия (рис.) на открытых побережьях масса камня, количество слоев и толщина наброски могут заметно возрасти.
Облицовка откосов одиночным или двойным булыжным, клинкерным или брусчатым (притесанные камни) мощением по гравийно-щебеночной подготовке (рис.) более сложна в изготовлении. Выполняют ее плоской, ломаной и криволинейных очертаний поперечного сечения. В связи с большой трудоемкостью в настоящее время облицовку применяют редко.
Покрытия откосов отличаются многообразием вариантов конструктивных решений (рис.): сборные бетонные или плоские железобетонные или ступенчатые плиты, асфальтобетонные покрытия, защитные покрытия из каменной выкладки с заполнением зазоров раствором, фасонные блоки и т.д. Для повышения волногасящих качеств покрытия его поверхность часто выполняют с искусственной шероховатостью в форме отдельных выступов, ступеней и т. п.
Массивовая кладка также находит достаточно широкое распространение в откосных берегоукрепительных сооружениях, как из массивов правильной формы, так и фасонных блоков. Располагают ее, как правило, на каменной призме с гравийно–щебеночным контрфильтром; может образовывать как плоскую, так и ступенчатую формы откоса.
Массивовая наброска, как правило, двухслойная, требует большей толщины защитного слоя, однако, имея большую пористость и в случае фасонных блоков повышенную зацепляемость и не реагируя на неравномерные осадки, является весьма надежным сооружением с высокими волногасящими качествами. Расход бетона на единицу длины сооружения из массивовой наброски удается заметно снизить, а подготовку над наброской существенным образом упростить и удешевить при использовании специальных фасонных блоков (рис.).
Комбинированные откосные сооружения состоят из отдельных частей рассмотренных выше конструкций. Сравнительно сложная технология возведения этих сооружений иногда оправдывается общими окончательными показателями технико–экономической целесообразности их строительства.
Буны, шпоры, траверсы. Эффективность наносоудерживающего действия бун зависит, прежде всего, от профиля (контура) сооружения.
Профиль буны на берегах с галечными наносами должен перекрывать своими контурами профиль равновесия устойчивого образования наносного материала, откладывающегося всегда с наветренной (верховой) стороны буны. Такое сооружение называется буной полного профиля (рис.). Если контур буны не перекрывает профиль равновесия пляжа по высоте (низкая буча) или длине (короткая буна), то такой пляж не сохраняется, наносной материал угоняется через сечение, не перекрываемое буной. В условиях песчаного берега наносы откладываются не только с наветренной (верховой) стороны буны, но главным образом в зонах с пониженными скоростями вдоль береговых течений с подветренной (низовой) ее стороны. По своему устройству буны могут быть гравитационными, свайными и комбинированными.
Гравитационные буны и шпоры могут быть в поперечном сечении откосного профиля: каменно–набросные, из массивовой наброски (из обычных или фасонных блоков), из местных материалов; вертикального профиля: из массивовой крупноблочной кладки (правильной или фасонной формы), из массивов–гигантов и т.п.
Свайные буны могут быть простейший однорядкой конструкции – из деревянных либо железобетонных свай или металлических труб и т.п.; двухрядной – с заполнением из песка, гравия, щебня, камня; сложной сборной свайно–стеночной – с пролетными перекрытиями из железобетонных брусьев, щитов и других элементов; комбинированными – гравитационные и свайные.
Подводные берегоукрепительные волноломы задерживают и сохраняют в пространстве между волноломом и берегом наносный материал, забсываемый штормовым волнением со стороны моря на огражденную защищенную акваторию.
Подводные волноломы: а – из бетонных массивов с переднее наклонной гранью (обычный гравитационный); б – зафиксированный колоннами – оболочками; в – двухкурсовый (двухъярусный); г – облегченной конструкции; 1 – берменные массивы; 2 – сваи.
Эффективность действия волнолома в большей степени зависит от отметки его гребня. При надводном положении гребня наносный материал перебрасывается через гребень с малой интенсивностью. При слишком низком заложении гребня возможен угон ранее отложившегося пляжевого материала, особенно песка. В строительной практике чаще всего встречаются гравитационные и набросные подводные волноломы.
Комбинированное сооружение бун с волноломами называют траверсами.
Гравитационные сооружения могут быть нескольких типов. Кладки из массивов массой до 100 т с передней наклонной гранью является наиболее распространенной в отечественной практике конструкцией (рис.) на плотных коренных породах массивы могут устанавливать непосредственно на дно, предварительно выровненное водолазами. При размываемых грунтах они располагаются на постели из камня массой до 100 кг с галечно–щебеночным контрфильтром толщиной соответственного порядка 1 и 0,5 м.
Берма сооружения в случае необходимости погружается берменными массивами или плитами. Для увеличения устойчивости массивы иногда фиксируют сваями (рис.). При значительных глубинах кладка может быть двухъярусной (рис.). Тонкостенные железобетонные конструкции (рис.) применяют реже.
Набросные подводные волноломы, встречающиеся чаще в зарубежной практике, состоят, как правило, из каменного ядра, покрытого массивами, фасонными блоками или плитами.
