Продолжаем публиковать немного сокращенный адаптированный перевод статьи «Описание камнепадов и инженерная защита от них: обзор» [1], написанной группой ученых из Швейцарии, Италии и Франции. Эта большая работа была опубликована в 2011 году в рецензируемом международном интернет-журнале NHESS (Natural Hazards and Earth System Sciences – «Природные опасности и науки о Земле»), издаваемом под эгидой Европейского союза специалистов в области наук о Земле (EGU – European Geosciences Union).
Указанная статья находится в открытом доступе в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution 3.0 (CC BY 3.0), поэтому ее можно использовать в некоммерческих и коммерческих целях, переводить или изменять при условии ссылки на первоисточник и указания типа изменений.
Сегодня представляем пятую (заключительную) часть переведенной работы, посвященную таким мерам защиты от камнепадов, как гибкие противокамнепадные системы и леса. Отметим, что нумерация рисунков соответствует таковой в оригинальной статье.
В этой части также приведен полный список литературы, использованной авторами оригинальной статьи.
Консультационную помощь редакции при подготовке перевода оказали специалисты российского представительства компании Trumer Shutzbauten, разрабатывающей и производящей одни из наиболее надежных в мире систем инженерной защиты от опасных геологических процессов, в том числе от камнепадов.
В настоящее время одной из наиболее распространенных мер защиты от камнепадов является использование гибких систем – прежде всего камнеулавливающих ограждений (противокамнепадных барьеров). Такие барьеры обычно устанавливаются вдоль границ зданий или сооружений и действуют как системы пассивной защиты, то есть они предназначены для остановки падающих со склонов камней.
В последние годы перед выходом настоящей статьи было проведено много исследований в этой сфере. Сначала исследовательская работа была сосредоточена на общей способности гибких систем надежно удерживать падающие камни. Позже акцент стали делать на том, как улучшить знания о поведении таких конструкций, – например, путем систематических и обширных испытаний (Grassl, 2002), общих оценок (Spang, Bolliger, 2001) или численного моделирования. Полученная в результате информация легла в основу стандартизации.
Поскольку эти исследования были в основном прикладными и проводились в тесном сотрудничестве с производителями, то в каждой опубликованной работе, как правило, рассматривался только один тип противокамнепадных барьеров. Однако все же можно было сравнить различные испытанные системы с точки зрения их эффективности, «тормозного пути», энергетического баланса и т. д. (например, Gerber, Volkwein, 2007).
После нескольких десятилетий развития и совершенствования типичная к моменту публикации настоящей статьи гибкая система защиты от камнепадов состоит из стальной сетки (иногда двойной, всегда защищенной от коррозии – Ред.), продольно прикрепленной к несущим тросам. Сетки с размерами ячеек от 5 до 35 см обычно бывают плетеными (типа рабицы, с четырехугольными ячейками), двойного кручения (плетеными, с шестиугольными ячейками) или кольчужными (из вплетенных друг в друга колец) и изготавливаются либо из стальной проволоки, либо из тонких стальных тросов. Есть также ограниченная информация об использовании альтернативных материалов для изготовления сеток (Tajima et al., 2003). (Австрийская компания Trumer Shutzbauten, имеющая представительство и в России, предлагает также уникальную «омега-сетку» (см. фото на заставке) с ячейками, напоминающими по форме греческую букву «омега», которая сплетена из тонких прочных стальных тросов и предназначена для работы в условиях высокой степени натяжения (geoinfo.ru/files/sistema-stabilizacii-sklonov-resheniya-kompanii-trumer-set-omega.pdf).– Ред.)
Несущие сетку тросы (с диаметром сечения 12–22 мм) горизонтально натянуты между стальными стойками высотой обычно от 2 до 7 м, установленными с шагом от 5 до 12 м. Каждая стойка прикрепляется снизу к опорной пластине, соединяющей ее с фундаментом, либо неподвижно, либо через особый шарнир (тогда верхний конец стойки удерживают дополнительные тросы-оттяжки, закрепленные грунтовыми анкерами выше по склону, а в конкретных случаях могут использоваться и дополнительные оттяжки).
Опубликована подробная информация о фундаментах стоек, включая предложения по измерениям нагрузок на них (Turner et al., 2009).
Для достаточно высоких энергий удара большинство систем имеет на тросах и/или в местах их прикрепления к стойкам и анкерам дополнительные энергопоглощающие (тормозные, амортизирующие, демпфирующие) элементы, которые могут деформироваться без разрывов с большими перемещениями (до 2 м), повышая гибкость несущей конструкции. На рисунке 18 показаны некоторые типичные амортизирующие элементы. (Схемы и фотографии, демонстрирующие устройство некоторых противокамнепадных барьеров, хорошо представлены также в ряде публикаций журнала «Геоинфо», например по адресам: geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/primery-adaptacii-standartnyh-kamneulavlivayushchih-barerov-k-konkretnym-usloviyam-chast-1-42684.shtml; geoinfo.ru/product/trumer-shchutcbauten-rus-trumer-schutzbauten-gmbh/gibridnyj-protivokamnepadnyj-barer-novyj-podhod-k-proektirovaniyu-i-stroitelstvu-42842.shtml. – Ред.)
Рис. 18. Некоторые распространенные типы тормозных элементов гибкого противокамнепадного барьера, работающих за счет: а – трения натянутого троса между фрикционными пластинами; б – трения между зажимами троса; в – уменьшения диаметра петли из гибкой стальной трубки; г – удлинения спиральной конструкции. Типы сеток гибких противокамнепадных барьеров: д – двойная система из кольчужной сетки с крупными круглыми ячейками и сетки двойного кручения с более мелкими шестиугольными ячейками; е – двойная система из сетки с крупными ячейками из сращенных тросов и сетки двойного кручения с более мелкими шестиугольными ячейками; ж – еще одна разновидность кольчужной сетки; з – сетка из тросов, скрепленных зажимами
Противокамнепадные барьеры обычно устанавливаются местными монтажными бригадами в соответствии с инструкциями от производителя (или бригадами от самих производителей. – Ред.).
Ряд преимуществ гибких камнеулавливающих ограждений способствует все более широкому их распространению. Они дешевле по сравнению с другими системами защиты (например, примерно в десять раз по сравнению с противокамнепадными галереями), быстро устанавливаются, требуя для этого мало оборудования. Их работа эффективна и надежна. Воздействие на ландшафт во время их строительства невелико. На стадии эксплуатации они не портят внешний вид местности. Благодаря способности выдерживать энергию ударов в широком диапазоне гибкие барьеры могут использоваться для защиты не только от камнепадов, но и от большинства других опасных склоновых процессов. И наконец, рост числа производителей приводит к здоровой конкуренции, гарантируя непрерывное развитие и усовершенствование конструкций этих систем с параллельным снижением цен на них.
Однако для гибких барьеров существуют и некоторые ограничивающие факторы:
Рис. 19. Принципы устройства и работы гибридного противокамнепадного барьера (Glover et al., 2010) (а) и противокамнепадной завесы (б)
История развития гибких противокамнепадных систем и современные исследования в этой области
Барьеры старого типа в основном выдерживали лишь небольшие камнепады. Только в начале 1990-х годов, когда были проведены исследования в отношении того, как эффективно остановить падающие со склонов камни, была учтена динамика процесса замедления и использована для разработки новых гибких защитных систем (Hearn et al., 1992). На основе подходов динамического проектирования также были разработаны барьеры, способные выдержать энергию удара до 50 кДж (Duffy, 1992; Duffy, Haller, 1993). С тех пор непрерывные исследования и инженерные разработки увеличили их удерживающую способность примерно до 5 000 кДж (в настоящее время – до 10 000 кДж. – Ред.).
Однако следует отметить, что исследования, связанные с гибкими камнеулавливающими системами, как правило, основаны на сотрудничестве между научно-исследовательским институтом и конкретным производителем таких систем, ориентированным только на свои собственные продукты (Grassl, 2002; Volkwein, 2004; Nicot, 1999; Wienberg et al., 2008; Peila et al., 1998). К моменту выхода настоящей статьи было опубликовано лишь несколько исследований, в которых сравнивались различные сеточные системы. Например, была проанализирована эффективность разных систем для мягких и жестких динамических процессов замедления (Gerber, Volkwein, 2007).
Растущее понимание устройства и динамического поведения гибких противокамнепадных систем также позволяет использовать различные их типы для противодействия ударным силам, вызванным другими опасными склоновыми процессами, такими как лавины (Margreth, 1995), упавшие и скользящие вниз по склонам деревья (Volkwein et al., 2009; Hamberge, Stelzer, 2007), потоки обломочного материала, сели (Wendeler, 2008) или мелкие оползни (Bugnion et al., 2008).
Стандартизация
Для планирования и проектирования эффективных систем защиты от камнепадов важно, чтобы их поведение было хорошо понято и тщательно верифицировано. Это также обеспечивает эффективное использование государственных инвестиций. Из-за сложного, динамичного и трудно описываемого процесса замедления типичная конструкция противокамнепадного барьера основана на испытаниях его прототипа (интересно отметить, что эта процедура также была адаптирована и для разработки нормативных документов, определяющих пределы эффективной работы сплошных барьеров).
Первое руководство по гибким противокамнепадным системам, которое использовалось по всему миру, было разработано в Швейцарии в 2000 году (Gerber, 2001a). Оно определило процедуры испытаний, позволяющие давать основанные на опыте оценки барьеров в отношении максимальной способности выдерживать энергию удара, фактических усилий в тросах, тормозного пути, остаточной (после камнепада) высоты барьера, эффективности защиты от небольших и средних камнепадов и соответствующего технического обслуживания.
В 2008 году было опубликовано европейское руководство ETAG 027 (EOTA, 2008; Peila, Ronco, 2009). В соответствии с письмом Европейской Комиссии государствам-членам датой начала его применения считалось 1 февраля 2008 года. ETAG 027 определяет процедуру тестирования (аналогичную таковой по швейцарскому руководству). После успешных испытаний системы и ее основных компонентов, а также проверки заводского производства в соответствии с ETAG 027 производители могут маркировать свою продукцию знаком CE на основании соответствующего сертификата Европейской Комиссии и декларации о соответствии производства. Основанием для выдачи указанного сертификата является «Европейское техническое одобрение» (подтверждение успешного прохождения технического контроля, выдаваемое по производству продуктов, для которых не существует единого европейского стандарта; наличие такого подтверждения позволяет свободно распространять соответствующие товары в странах Европейского Союза и Европейской ассоциации свободной торговли. – Ред.).
Поскольку руководство ETAG 027 является очень широким, необходимо объединить и сформулировать множество различных интересов. Стоит отметить, что обычно такой документ становится квазиминимальным стандартом, требующим национальных заявочных документов для отдельных государств-членов.
Следует также иметь в виду, что всегда будут случаи, выходящие за рамки руководства ETAG 027, например при нецентральных ударах по сетке, ударах по стойке или тросу, при падении камней с высокой или низкой скоростью, но с одинаковой энергией удара и т. д. (Wienberg et al., 2008; Volkwein et al., 2009).
Выбор размеров и устройство гибких противокамнепадных барьеров в полевых условиях
Если гибкий противокамнепадный барьер подходит для конкретного участка, он должен быть расположен там таким образом, чтобы охватить большинство траекторий и чтобы падающие камни не попадали, например, на защищаемую автомобильную или железную дорогу и даже не достигали ее в процессе замедления, находясь внутри сетки.
Подходящая система выбирается в соответствии с ожидаемой максимальной энергией удара, оцененной при геологической экспертизе.
Устройство барьера в полевых условиях должно осуществляться в соответствии с инструкцией по его монтажу, прилагаемой к купленному продукту.
Проектные нагрузки для анкеров в соответствии с усилиями в тросах, измеренными во время испытаний прототипа системы, иногда можно узнать в интернете (BAFU Bundesamt fur Umwelt, 2011). В Швейцарии должен применяться частный коэффициент безопасности, равный 1,3 со стороны приложения нагрузки (SIA261, 2003). Безопасность заанкеривания (например, с помощью микросвай, болтов, анкеров) должна быть гарантирована в соответствии со стандартом Европейского комитета по стандартизации CEN (2010). Известна публикация с описанием результатов испытаний таких креплений (Shu et al., 2005).
Полевые испытания
Для верификации и валидации установки недавно разработанных противокамнепадных барьеров необходимы полномасштабные полевые испытания. Они проводятся с самого начала разработки таких систем (Hearn et al., 1992; Даффи, 1992; Thommen, 2008; Zaitsev et al., 2010 и др.). С тех пор методы тестирования существенно не изменились. Но благодаря более совершенным методам измерений можно получить более детальные результаты (Gottardi, Govoni, 2010 и др.).
Для испытаний в основном возможны две различные установки в зависимости от того, как ускоряется падающий железобетонный снаряд – наклонно вдоль направляющего троса или при вертикальном падении (рис. 20, Gerber, 2001a). Затем барьер обычно устанавливается с таким наклоном, чтобы угол ударов был примерно равен 60 град. (Gerber, 2001a) или чтобы угол между барьером и склоном составлял 60±20 град. (EOTA, 2008), поскольку это типичная ситуация для попадания камней в барьер в полевых условиях.
Рис. 20. Различные методы испытаний гибких систем защиты от камнепадов: а – свободная траектория железобетонного снаряда с ударом, включающим также вращение, при неопределенном месте столкновения; б – наклонная траектория вдоль направляющего троса с определенным местом удара; в – вертикальное падение вдоль направляющего троса с определенным местом удара
Результаты испытаний получают с использованием различных измерительных систем. Геометрия барьера до и после испытания проверяется с использованием нивелиров или тахеометров и дополнительного ручного измерения удлинений тормозных элементов, наклонов стоек и т. д. Процесс торможения падающего камня может быть рассмотрен либо с помощью покадрового анализа высокоскоростных видеозаписей (рекомендуемая скорость записи – не менее 100 кадров в секунду), либо путем численного интегрирования ускорений железобетонного снаряда, измеренных установленными в нем датчиками (рекомендуемая частота дискретизации – более 1–2 кГц).
Используемые для испытаний железобетонные снаряды (рис. 21) имеют разную массу в соответствии с рекомендуемыми в руководствах энергетическими классами, характеризуемыми скоростью удара не менее 25 м/с (считается, что эта величина находится в верхнем диапазоне скоростей при камнепадах).
Рис. 21. Стандартизированные бетонные элементы для тестирования гибких противокамнепадных систем с длиной ребра L/2 и L/3 по отношению к обычному кубу с длиной ребра L в соответствии: а – со швейцарским руководством (до 2008 года, Gerber, 2001a); б – с руководством Европейского Союза (EOTA, 2008)
В последние перед выходом данной статьи годы исследования были больше сосредоточены на испытаниях аттенюаторных систем (Glover et al., 2010 и др.). В этих случаях обязательным является косой удар, а не вертикальное падение бетонного элемента, поскольку целью таких систем является не остановка падающего камня, а отклонение и дальнейший контроль его траектории.
Численное моделирование
Гибкие противокамнепадные барьеры достигли стадии разработки, на которой требуются значительные усилия для увеличения их удерживающей способности. Соответствующее численное моделирование позволяет разрабатывать или оптимизировать новые типы этих систем более эффективно благодаря сокращению числа дорогостоящих полевых испытаний их прототипов. Кроме того, использование программного обеспечения позволяет моделировать проектируемые барьеры с учетом особых случаев нагрузок, которые не могут быть воспроизведены при полевых испытаниях (например, при высокоскоростных камнепадах, ударах по стойкам или тросам и т. д.), а также с учетом особых геометрических граничных условий для конкретных топографических ситуаций или с учетом влияния изменений в конструкциях на работу системы (Fornaro et al., 1990; Mustoe, Huttelmaier, 1993; Akkaraju, 1994; Nicot et al., 1999, 2001; Cazzani et al., 2002; Anderheggen et al., 2002; Volkwein, 2004; Sasiharan et al., 2006). С помощью численного моделирования может быть оценено поведение не только полных защитных систем, но и их отдельных компонентов, например амортизирующих элементов (del Coz Diaz et al., 2010; Studer, 2001; Dhakal et al., 2011b) или колец кольчужных сеток (Nicot et al., 1999; Volkwein, 2004).
Большие деформации, вызывающие геометрическую нелинейность, короткий период моделирования и нелинейное поведение материала явно требуют анализа на основе метода конечных элементов, например с использованием метода центральных (конечных) разностей (Bathe, 2001; Anderheggen et al., 1986 и др.). Этот метод обеспечивает детальное представление динамического ответа системы. Он также может предоставлять информацию по приложению нагрузки и по степени использования любой моделируемой конфигурации барьера.
Моделирование падения камня должно учитывать большие трехмерные перемещения и вращательные движения. При моделировании удара о стальную сетку в любом месте специальные алгоритмы контакта предотвращают проникновение узлов сетки в камень, допуская только касательные перемещения. Cкольжение при моделировании обычно происходит на большом протяжении, а также вызывает трение между различными компонентами.
До момента публикации настоящей статьи применялись различные стратегии моделирования гибких противокамнепадных барьеров. Разработка специализированного программного обеспечения позволяет сосредоточиться на необходимых деталях и пренебречь ненужными и, следовательно, ускорить вычисления (Nicot et al., 1999; Volkwein, 2004). Такой подход также облегчает создание различных моделей барьеров, поскольку все программные элементы уже оптимизированы для моделируемых компонентов. Но для получения полезных результатов этим методом требуется большое количество времени. Поэтому также рекомендуется использование общих многоцелевых конечноэлементных программ, поскольку они экономят время, которое не надо тратить на разработку рутинных функций (Fornaro et al., 1990). К тому же более абстрактные модели позволяют анализировать работу систем, которые еще не были полностью изучены. Однако использование многоцелевых программ связано с риском получения неидеальных свойств отдельных элементов или неидеальной эффективности их работы.
В любом случае независимо от подхода, принятого для моделирования гибкого барьера, полученные результаты должны пройти валидацию путем полномасштабных полевых испытаний с измерением усилий в тросах и стойках при ударах, а также ускорений и траекторий железобетонных снарядов.
(Сертифицированные гибкие системы защиты от камнепадов и других опасных склоновых процессов, которые являются одними из наиболее эффективных в мире сеточных систем, предлагает австрийская компания Trumer Shutzbauten, имеющая представительство и в России (trumer.su/ru/index.html).– Ред.)
Наиболее естественным видом противодействия камнепадам является лес. Его защитная функция в основном обусловлена барьерным эффектом стоящих и лежащих деревьев (рассеиванием ими энергии). Является ли такая защита эффективной или нет, определяется размером и кинетической энергией падающего со склона камня, суммой площадей поперечного сечения деревьев (на высоте груди) на 1 га зоны, охваченной камнепадом, а также видами деревьев (Berger, Dorren, 2007).
Очень важна концепция вышеупомянутой общей площади поперечного сечения деревьев, поскольку она включает как плотность стояния деревьев, или полноту древостоя (количество стволов деревьев на 1 га), так и распределение диаметров стволов. Измеряется этот параметр в м2/га. Его нижний предел для леса, эффективно защищающего от камнепадов, составляет около 10 м2/га, а значительный уровень защиты может обеспечить величина 25 м2/га. Однако это зависит и от других упомянутых ранее факторов (кинетической энергии камня, видов деревьев, длины покрытого лесом склона и т. д.).
Быстрая оценка способности леса противодействовать камнепадам может быть проведена с использованием специальных инструментов для этого и руководств по защитным лесам (Frehner et al., 2005; Berger, Dorren, 2007 и др.) или с помощью более сложных моделей траекторий камнепадов, учитывающих барьерные эффекты отдельных деревьев (Dorren, 2010; Rammer et al., 2010).
Для получения детальных знаний о способности лесов останавливать камнепады были проведены различные научные исследования. На эту тему был опубликован фундаментальный обзор (Dorren et al., 2007).
Является общепризнанным, что в лесу, лучше всего защищающем от камнепадов, должны быть не только большие деревья, но и хорошо структурированный древостой с широким распределением диаметров и мозаикой различных фаз развития. Эксперименты ясно показали, что небольшие деревья способны останавливать большие камни при условии, что значительная часть их кинетической энергии уже была рассеяна во время предыдущих ударов о большие деревья.
Распределение больших и малых деревьев, которое обычно также соответствует их высоте, называется вертикальной структурой леса. Кроме того, чем больше полнота древостоя, тем выше вероятность контакта с падающим со склона камнем, но это также зависит от размера последнего (более мелкие камни имеют меньшую вероятность столкновения, чем крупные). Проблема в управлении защитными лесами заключается в том, что высокая плотность стояния деревьев не может сохраняться в течение долгого времени при наличии толстых деревьев и их большой устойчивости. Поэтому необходимо найти компромисс между оптимальной защитной функцией и обеспечением стабильности и возобновления лесов (Brang, 2001).
Количество стволов деревьев и их пространственное распределение составляют горизонтальную структуру леса. Ее важными характеристиками, определяющими защиту от камнепадов, являются размеры и количество просветов между деревьями и лощин в лесу.
За последнее перед выходом данной статьи десятилетие активизировались исследования по взаимодействиям между камнепадами и защитными лесами. Например, изучалась механическая устойчивость и поглощение кинетической энергии камней отдельными деревьями (Lundstrom, 2010; Jonsson, 2007). Была установлена связь между защитной способностью отдельного дерева и эффективностью полноты древостоя (Kalberer, 2007). Исследовались защитные эффекты различных низкоствольных лесов (Jancke et al., 2009). Были предложены новые подходы для включения лесов в модели траекторий камнепадов (Le Hir et al., 2006; Rammer et al., 2010; Dorren, 2010). В качестве примера было показано, как могут быть использованы данные лазерного сканирования для автоматической характеристики возможности противодействия леса камнепадам (Monnet et al., 2010). Достижения в области дендрогеоморфологии дают возможность проводить усовершенствованный пространственно-временной анализ «молчаливых свидетелей камнепадов» (Schneuwly, Stoffel, 2008 и др.).
Важные оставшиеся вопросы в этой области:
Необходимость решения современных проблем, связанных с опасностью камнепадов и оценкой их рисков по-прежнему актуальна, несмотря на очевидные достижения в этих сферах. Кроме того, практический интерес также представляют меры инженерной защиты, основанные на моделях неопределенности.
В настоящее время рассчитывать траектории канепадов с очень высоким уровнем точности позволяет численное моделирование, например с использованием метода дискретных элементов на основе результатов лазерного сканирования с высоким разрешением в качестве входных данных и т. д. Однако такой детальный уровень также требует учета формы падающего со склона камня, его точного положения перед началом движения и т. д. Поэтому обоснован также альтернативный подход: для оценки скорости падающего камня нет особой необходимости в сложной компьютерной модели. Для расчета его траектории достаточно нескольких четко видных мест ударов и некоторых базовых математических выкладок. Расположение мест ударов на земле, углы наклона поверхности грунта между ними и (если таковые имеются) следы над землей на ветвях и стволах деревьев позволяют определить начальную скорость камня при отскоке (скорость отрыва от земли) и скорость удара. Для этого есть специальные формулы и возможность графического представления результатов.
Какие вопросы требуют внимания в ближайшем будущем? Приведем некоторые предложения.
1. Имеется определенная необходимость в совершенствовании прогнозирования вероятностей камнепадов. Кроме того, следует обсудить подверженность территорий камнепадам и опасность этих явлений. Также важно досконально знать экстремальные вариации траекторий камнепадов в пределах определенной зоны. Однако все это бесполезно, если надежность моделей с надлежащей физической основой должным образом не проверяется.
2. Для выбора мер защиты от камнепадов должен быть единообразно определен конкретный уровень проектирования. Это может быть достигнуто путем количественной оценки уровней риска, уязвимости защитных мер и соответствующих затрат. Конечно, требуется определить стандартизированные процедуры оценки и верификации мер защиты.
3. Необходимо продолжить обсуждение того, как лучше всего классифицировать отельный камнепад. Его можно было бы удовлетворительно описать, используя либо энергию в кДж, либо импульс в Н*с. Первое является более распространенным и современным, но второе иногда бывает более точным при рассмотрении эффектов удара и отскока.
4. Современные требования к применимости и эффективности мер защиты от камнепадов исключают изолированные исследования, и все более важным становится налаживание тесного сотрудничества между исследователями из разных научных дисциплин. Такое взаимодействие может привести к получению ценных результатов и появлению важных публикаций, например таких, как книга о камнепадах (Lambert, Nicot, 2011) или настоящая статья. Причем следует отметить, что без работы множества исследователей по всему миру представленный обзор не содержал бы так много информации.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку