В связи с многочисленными случаями разрушения противопаводковых дамб рекомендуется учесть опыт заключений Главгосэкспертизы России. Статья была опубликована в Интернете в 2005 году.
Проектирование противопаводковых дамб и речных берегоукреплений (анализ экспертизы проектов)
Т.Б. Малаханова - начальник Отдела объектов коммунального и
водного хозяйства
В.П. Суровцев-Бутов - главный специалист
Опыт строительства противопаводковых дамб имеет историю длиной в несколько тысяч лет. Однако, разрушение дамб происходит с завидной периодичностью, например на Дунае 1 раз в 8-10 лет. Основными причинами разрушения являются большая протяженность сооружения, отдаленность от жилья, несоблюдение при проектировании и строительстве принятых норм и недостаточная научная разработка критериев используемых в гидротехнической практике.
В статье рассмотрены примеры технических решений, потребовавших корректировки в проектах противопаводковых дамб, представленных на экспертизу в 2003 –2005 гг и даны рекомендации, учет которых поможет уменьшить капиталовложения и повысить надежность сооружений:
1. В проектах не достаточно учитываются инженерно-геологические условия основания противопаводковых дамб.
Исследования показали, что суффозионная прочность грунтов в земляных сооружениях определяется в значительной степени не только размерами зерен грунта, но и его пористостью. Для предотвращения суффозионных явлений в земляных сооружениях в ряде случаев представляется целесообразным не удлинять пути фильтрации, а уменьшить пористость грунта основания дамб.
Поверхностные слои грунта, состоящие из песчаных грунтов, имеют большую пористость и подвержены суффозии. Недоучет этого обстоятельства является основной причиной прорыва дамб на Дунае во время наводнений 54 и 65 годов. Поэтому при устройстве дамб на реках удлинение путей фильтрации путем увеличения сечения дамб и устройства понуров является нерациональным. Наиболее эффективным мероприятием для обеспечения суффозионной устойчивости дамб и уменьшения суффозии является уплотнение песчаного грунта основания, пористость которого в натуре достигает 50%, а также устройство в основании вертикальных водонепроницаемых завес. Вертикальные завесы, также пересекают возможные ходы землероев, увеличивая надежность противопаводковых дамб.
Данные натурных наблюдений во время паводков показывают, что при наличии в основании дамб, расположенных на слое глин мощностью 1,5-2,0 м, мелких и пылеватых песков, при градиентах 0,04-0,08 у основания низового откоса образуются выходы фильтрационных вод, развивающиеся в ключи с выходными воронками диаметром 1-4 м, где наблюдается интенсивный вынос фильтрационными водами вначале мелких, а затем и крупных фракций песков. Эти явления приводят к многочисленным прорывам дамб и затоплению больших территорий.
Устройство зуба является обязательным в основании дамб на песчаных грунтах и при наличии слоистого основания из связных и несвязных грунтов (по рекомендации Главгосэкспертизы зуб предусмотрен в рабочих проектах дамб р. Томь в г. Новокузнецке, р. Убин ст. Северская.)
2. Необоснованно завышается толщина крепления откосов реки и дамб (р. Вятка г. Кирово-Чепецк, р. Ижма Ижемского района республики Коми).
Толщина крепления на откосах водохранилища и реки определяется различными факторами. На водохранилище решающим является воздействие ветровой волны, а на реках скорость течения и радиус поворота реки в плане или величина судовой волны.
В проектах завышение толщины крепления камнем происходит в результате совмещения в расчете максимального уровня (1% или 0,5% обеспеченности) и максимального расчетного ветра (4% вместо 50% обеспеченности).
При определении диаметра и толщины крепления камнем откосов под воздействием скоростей течения потока в расчет, не обосновано, включается максимальная скорость течения потока вместо средней скорости.
Толщину каменного крепления необходимо принимать равной (2,0-2,1) Драсч при воздействии ветровой волны или речного потока и 3Драсч при воздействии судовой волны.
Принятие предельно крутого откоса дамбы (1:1,5) требует значительного увеличения толщины крепления.
Минимизировать толщину крепления возможно увеличением заложения откоса дамбы.
Уположение откоса от 1:1,5 на берегу реки до 1:2,5 уменьшает толщину крепления в 2,5 раза (в случае, когда определяющим размер камня является воздействие скорости течения) и в 1,4 раза (в случае, когда определяющим размер камня является воздействие волны).
3. Для крепления откосов завышаются характеристики камня и щебня по прочности (р. Конда пос. Конда и пос. Междуреченск).
В рабочих проектах указывается прочность камня карьера (достигающая вместо необходимой расчетной прочности (30,0 МПа – прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии) 120,0 МПа, в соответствии со средней полученной в карьере. Показатели прочности камня в разных пластах карьера могут отличаться в несколько раз и при указанной в проекте прочности 120,0 МПа, формально не может допускаться к использованию камень с прочностью 100,0 МПа.
Применяется камень и щебень соответствующий ГОСТ на стеновые блоки или бетон
Камень и щебень для крепления откосов, принятый в проекте по ГОСТ 4001-84, относится к камню, применяемому в качестве стеновых блоков. Поэтому, при корректировке проекта по замечаниям Главгосэкспертизы, физико-механические характеристики камня и щебня приняты по ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» и ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из горных пород для строительных работ», что привело к экономии капитальных вложений;
4. Неправильное назначение показателей уплотнения (Новокузнецкая дамба)
Устойчивость откосов земляных водоподпорных сооружений зависит от сдвиговых характеристик грунта уложенного в тело сооружения. Сдвиговые характеристики (угол внутреннего трения и сцепление) увеличиваются при увеличении степени уплотнения грунта. Поэтому назначение величины плотности насыпи имеет первостепенное значение. Однако, на практике нередки случаи, когда проектные организации неоправданно завышают плотность грунтов, что приводит к дополнительным работам уплотняющих машин и удорожанию стоимости строительства.
В рабочих проектах часто указывается плотность скелета грунта, определенная в результате лабораторных исследований карьерного грунта и рекомендуемая в качестве контрольной при отсыпке тела дамбы. Однако, при пестром изменяющемся составе карьера от суглинка до глин, плотность скелета, указанная для суглинка оказывается недостижимой для глин. Поэтому в рабочих чертежах необходимо указывать коэффициент уплотнения (для дамб достаточно обычно 0,9-0,95), определенный для каждой разновидности грунта и отражающий одновременно класс гидротехнического сооружения.
Используемые в рабочих проектах коэффициент пористости и плотность скелета песчаного грунта не могут служить характеристикой плотности сложения, так как они зависят от формы и окатанности частиц песка. Коэффициенты пористости песка понижаются при приближении его частиц к форме шара.
Плотность сложения песчаного грунта необходимо назначать по допустимой величине относительной плотности ID, принимаемой не менее 0,6.
Анализ экспериментальных данных свидетельствует об очень слабо выраженных корреляционных зависимостях между коэффициентом фильтрации, с одной стороны, и показателями гранулометрического состава грунтов, - с другой.
И.К. Дуюнов и Г.М. Садыков лабораторными исследованиями выяснили и математически описали функциональную зависимость между водопроницаемостью и пористостью глинистых грунтов.
Корреляционный анализ грунтов, например, Терско-Кумского канала показал, что на водопроницаемость супесчаных грунтов влияет плотность скелета.
Установлено, что с увеличением плотности скелета от 1,3 до 1,8 т/м3 коэффициент фильтрации уменьшается от 2,8 до 0,01 м/сутки. С повышением плотности скелета грунта от 1,6 до 1,8 т/м3 коэффициент фильтрации уменьшается незначительно от 0,05 до 0,01 м/сутки и, следовательно, в подавляющем большинстве случаев нет необходимости уплотнять грунт тела дамб до максимальной плотности. Это необходимо учитывать при назначении плотности укладки тела дамб (от 0,9 до 0,98), выражая плотность через коэффициент уплотнения, для глинистых грунтов, или степень плотности ID, для песчаных грунтов (от 0,6 до 1,0).
Для большинства противопаводковых дамб, имеющих высоту до 5 м и возведенных на структурно устойчивых грунтах, устойчивость откосов обеспечивается при коэффициентах уплотнения и степени плотности близкой к нижней границе.
5. При расчете устойчивости несвязных грунтов принимались нормативные характеристики грунтов вместо расчетных и не учитывались коэффициенты надежности.
6. Завышение скорости течения потока в реке.
При расчете размера камня и толщины крепления в проектах часто завышается скорость течения в реке и принимается максимальная без учета снижения ее от центра к берегу.
7. Не предусматривалось устройство дорог и съездов (р. Кунгура, Змейка).
Ширину гребня дамб следует принимать не менее 3,0 м с обязательным устройством эксплуатационной дороги со стороны обвалованной территории или по гребню дамбы с дорожным покрытием (чаще всего с низшим типом дорожной одежды), что обеспечивает возможность производства текущих и аварийных ремонтных работ. Съезды и разъезды должны быть устроены не более чем через 500 метров.
В заключение выскажем наше мнение о назначении класса капитальности берегоукрепления и дамб. По СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения. Основные положения» берегоукрепление относится к III классу. Плотины на нескальном основании относятся к IV классу при высоте до 15,0 м. В то же время дамба высотой 1,0 м, если речной откос необходимо крепить может быть отнесена к III классу. Поскольку при разрушении берегоукрепления не образуется волны прорыва, предлагается берегоукрепления относить к IV классу с возможностью повышать класс сооружения на единицу если авария сооружения может привести к последствиям катастрофического характера.
Литература:
1. Справочник проектировщика. Гидротехнические сооружения. Стройиздат. Москва. 1983 г.
2. Экспресс-информация. Мелиорация и водное хозяйство. Серия 5 выпуск 1. О плотности грунта в теле водоподпорных сооружений. Москва 1977.
3. Гидротехническое строительство №5 1972. Устойчивость грунтов в земляных сооружениях и защитные дамбы на Дунае.
4. Экспресс-информация. Серия 8. Мелиорация и водное хозяйство. Исследования эрозионной надежности противопаводковых дамб на проницаемом основании.