Способ инженерно-биологической защиты берега от размыва

 

Использование: берегозащита и предотвращение абразии намывных береговых сооружений. Цель: повышение эффективности инженерно-биологической защиты посредством глубинного упрочнения грунта и армирования посадочного материала. Сущность изобретения: посадочный материал укладывают в армирующий элемент, состоящий из двух оболочек, и устанавливают в углублении грунтового основания. Намывают грунт вокруг армирующего элемента и упрочняют намытый грунт до глубины, превышающей уровень волнового воздействия на грунт основания. Глубинное упрочнение намытого грунта выполняют путем подачи в него омоноличивающего раствора, после чего извлекают внешнюю оболочку армирующего элемента из грунта, а внутреннюю оболочку с посадочным материалом и почвой оставляют в зоне упрочнения. Положительный эффект: предотвращение от разрушения посадочного материала инженерно-биологической защиты и снижение интенсивности абразии берега в 4 раза за трехлетний период по сравнению с прототипом. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к строительству объектов береговой гидротехники и может быть использовано для берегозащиты и предотвращения абразии намывных береговых сооружений.

Известен инженерно-биологический способ укрепления земляного откоса зелеными насаждениями, предусматривающий соединение квадратами верхнего и нижнего слоев ткани, образование каркасной решетки из цилиндров, в которые нагнетали цементный раствор, и загрузку в квадраты посадочного материала, образующих основание из зеленых насаждений посадочного материала, образующих основание из зеленых насаждений до схватывания цементного раствора.

Однако такой способ не обеспечивает эффективную инженерно-биологическую защиту побережья от размыва вследствие отсутствия прочных взаимосвязей посадочного материала с техническими конструкциями, а также вследствие неустойчивости самой конструкции к волновому воздействию.

Известен также способ биологической застройки русел рек для предотвращения их размыва, включающий посадку в приурезовой зоне водоема массива из древесно-кустарниковой растительности (ДКР). Массив в головной части снабжен жесткими энергогасящими элементами конструкциями береговой гидротехники.

Волновой поток при подходе к массиву ДКР значительно гасил свою энергию и предотвращал возникновение сбойного течения, размывающего берег. Однако и этот способ не обеспечивает надежную инженерно-биологическую защиту берегов от размыва и разрушения вследствие активного вымывания посадок ДКР из незакрепленного грунта на дне водотока при волновом воздействии.

Наиболее близким по техническому решению к предполагаемому изобретению является способ инженерно-биологической защиты берега от размыва, выбранный нами в качестве прототипа заявляемого способа.

Сущность известного способа заключается в выкопке посадочного материала с комом почвы и подготовке траншеи (углубления). Посадочный материал заворачивали (армировали) в проволочную сетку и укладывали в углубление, выполненное вдоль линии среднего уровня воды.

Затем выполняли пригрузку армированного посадочного материала с почвой, крупным щебнем, засыпали сверху гравием и камнями, а также укрепляли сваями со стороны водоема.

Однако при активном волновом воздействии на напорный откос берегового земляного сооружения известное техническое решение также не обеспечивает надежную инженерно-биологическую защиту берега от размыва, поскольку армирование посадочного материала выполняется выборочно, без сохранения сплошности инженерно-биологической конструкции. Это, в свою очередь, приводит в активному вымыванию почвы и разрушению корневой системы посадочного материала.

Кроме того, выполняемый комплекс строительных работ по известному конструктивному и технологическому решению не обеспечивает надежную защиту конструкции от волнового воздействия в период строительства вследствие отсутствия надежного крепления с дном водоема, что нередко приводит к ее полному разрушению до начала ввода в эксплуатацию.

Целью предполагаемого изобретения является повышение эффективности инженерно-биологической защиты намывных береговых сооружений посредством глубинного упрочнения грунта и армирования посадочного материала.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе инженерно-биологической защиты берега от размыва, включающем выполнение в грунте основания приурезовой зоны водоема углубления, укладку в него армирующего элемента с посадочным материалом и почвой, анкерование армирующего элемента с грунтом основания и его закрепление укладкой гравийно-каменного материала, дополнительно выполняют ряд операций.

Так, например, армирующий элемент выполняют в виде внутренней и внешней оболочек, перед укладкой гравийно-каменного материала производят намыв грунта вокруг армирующего элемента, а затем упрочняют грунт перед армирующим элементом на глубину, превышающую уровень волнового воздействия на грунт основания, путем подачи в грунт омоноличивающего раствора.

Кроме того, после выполнения указанных выше операций извлекают внешнюю оболочку армирующего элемента из грунта, а перед подачей в грунт омоноличивающего раствора производят увеличение пористости грунта путем подачи в него воздуха.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие по критерию "новизна".

Поиск технических решений в исследуемой и смежных областях показал, что известно техническое решение, согласно которому может быть реализована возможность инженерно-биологической защиты намытого грунта благодаря пространственной конструкции, выполненной в виде глубинного виброинъектора.

Однако использование такой пространственной конструкции для устройства инженерно-биологической защиты берега возможно лишь при наличии специального армирующего элемента, обеспечивающего надежную защиту посадочного материала с почвой от вибрационных, уплотняющих и гидравлических воздействий.

Кроме того, для реализации предложенного способа необходимо создание пористой структуры намытого грунта в зоне упрочнения и его последующего армирования корневой системой древесно-кустарниковой растительности, выращенной из посадочного материала.

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии заявляемого в качестве изобретения технического решения критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется иллюстрациями: фиг. 1 общий вид устройства в процессе выполнения инженерно-биологической защиты намывного берегового сооружения; фиг. 2 устройство армирующего элемента с посадочным материалом и почвой; фиг. 3 общий вид намывного берегового сооружения по окончании строительства инженерно-биологической защиты.

Устройство для инженерно-биологической защиты берега от размыва включает (фиг.1) подъемно-транспортный механизм 1, обеспечивающий проведение комплексных работ в приурезовой зоне водоема, а именно: -транспортирование к месту строительства пространственной 2 конструкции и армирующих 3 элементов; установку армирующих 3 элементов с проушинами 4 в посадочное углубление; закрепление намытого 5 грунта в зоне 6 упрочнения до глубины, превышающей уровень 7 волнового воздействия на грунт 8 основания; извлечение пространственной 2 конструкции из намытого 5 грунта; Армирующий 3 элемент состоит из внешней 9 и внутренней 10 оболочек, фиг. 2.

Внешняя 9 оболочка армирующего 3 элемента выполнена в виде патрубка из водонепроницаемого асбесто-цементного материала, открытого с обоих торцевых концов, и служит для предохранения посадочного 11 материала с почвой 12 от механических и гидравлических воздействий.

Внутренняя 10 оболочка армирующего 3 элемента выполнена в виде сетки из легкого матерчатого материала с анкерным 13 креплением у основания и служит для размещения в ней посадочного 11 материала с почвой 12, а также для удерживания посадочного 11 материала в упрочненном грунте и предотвращения его вымывания из зоны 6 упрочнения намытого 5 грунта.

Анкерное 13 крепление выполнено в виде раскрывающегося зонтика; в сложенном виде без сопротивления погружается в грунт, а при возвратном движении раскрывается в виде зонтичного стопора-анкера и препятствует возвратному перемещению конструкции.

На противоположных краях внешней 9 оболочки в ее верхней части установлены две проушины 4 для извлечения, при необходимости, из намытого 5 грунта, а также для установки армирующего 3 элемента в посадочное углубление.

Пространственная 2 конструкция выполнена в виде глубинного виброинъектора и предназначена для: глубинного разжижения и уплотнения намытого 5 грунта; подачи в намытый грунт вяжущего раствора и образования зоны 6 упрочнения; подачи в грунт высоконапорного потока воды для погружения пространственной конструкции в плотные слои грунта 8 основания ниже уровня 7 волнового воздействия; подачи в намытый 5 грунт сжатого воздуха для образования в нем пористой структуры.

Пространственная 2 конструкция состоит из вертикальной 14 полой штанги с вибратором 15 и входным 16 патрубком в верхней части.

В нижней части вертикальной 14 полой штанги смонтирован наконечник 17 с гидромониторной насадкой и напорным 18 клапаном.

Вдоль внешней поверхности вертикальной 14 полой штанги радиально к ней прикреплены яруса уплотняющих 19 лопастей.

Между двумя нижними ярусами уплотняющих 9 лопастей расположен ярус 20 нагнетательных патрубков.

Уплотняющие 19 лопасти предназначены для уплотнения грунтового массива по глубине при их вибрационных колебаниях в радиусе от 1,5 до 2,0 метров и выполнены из полосовой стали.

Нагнетательные 20 патрубки служат для подачи вяжущего (омоноличивающего) раствора в зону 6 упрочнения намытого 5 грунта и его равномерного распределения в ней; выполнены из стальной цельнотянутой трубы овальной формы, перфорированной вдоль всей поверхности.

Уплотняющие 19 лопасти и патрубки 20 имеют обтекаемую форму для уменьшения сопротивления грунта при внедрении пространственной 2 конструкции и оптимизации размеров зоны 6 упрочения.

Для улучшения условий разжижения грунта 8 основания при погружении пространственной 2 конструкции в плотные слои ниже уровня 7 волнового воздействия предусмотрен выпуск вертикально вниз высоконапорной струи воды через напорный 18 клапан и наконечник 17 с гидромониторной насадкой.

В зависимости от вида выполняемой работы к входному 16 патрубку в верхней части пространственной 2 конструкции подсоединяют:
1. При разжижении грунта и погружении пространственной 2 конструкции - высоконапорный водяной насос для подачи потока воды к наконечнику 17 с гидромониторной насадкой.

2. При уплотнении и омоноличивании намытого 5 грунта с образованием пористой структуры насос для подачи вяжущего раствора и воздушного компрессора для подачи сжатого воздуха.

Для предотвращения активной абразии намывного берегового сооружения в период строительства и устройства инженерно-биологической защиты его напорный 21 откос снабжен песчаным 22 примывом и каменной 23 наброской.

Конструктивные параметры, объем намыва, ширина надводной части песчаного 22 примыва, выполняемого гидромеханизированным способом, определяют с учетом ожидаемой интенсивности абразии участка проектируемой инженерно-биологической защиты в период его строительства и последующей эксплуатации.

Способ осуществляют следующим образом.

Первоначально выполняют сборку армирующих 3 элементов с посадочным 11 материалом и почвой 12.

Для этого заполняют внутреннюю 10 оболочку посадочным 11 материалом с почвой 12, а затем размещают их во внешней 9 оболочке армирующего 3 элемента так, чтобы верхняя часть патрубка армирующего 3 элемента была заполнена посадочным 11 материалом с почвой 12, а в его нижней части устанавливают анкерное 13 крепление, фиг.2.

Далее в грунте 8 основания приурезовой зоны водоема выполняют углубление и укладывают в него армирующие 3 элементы с посадочным 11 материалом и почвой 12. При этом, армирующие 3 элементы устанавливают вертикально в углублении грунтового 8 основания берегового намывного сооружения рядами на расстоянии 1,5 2,0 метров один от другого, выполняют анкерование армирующих элементов с грунтом 8 основания (с использованием анкерного 13 крепления).

Внутреннюю 10 оболочку заанкеровывают с грунтом 8 основания, а внешнюю 9 оболочку присыпают по нижнему краю гравийно-щебенчатым грунтом для поддержания ею устойчивого вертикального положения.

Затем образуют песчаный 22 примыв со стороны напорного 21 откоса берегового сооружения и замывают средствами гидромеханизации армирующие 3 элементы до верхнего края внешней 9 и внутренней 10 оболочек, не допуская попадания намывного 5 грунта внутрь армирующих 3 элементов.

Одновременно с намывом 5 грунта выполняют его глубинное упрочнение на напорном 21 откосе до отметок, превышающих уровень 7 волнового воздействия на грунт 8 основания. Это обеспечивает устойчивость напорного 21 откоса намывного берегового сооружения к абразионному волновому воздействию. При этом уровень волнового воздействия устанавливают по натурным данным (для наиболее размываемых участков береговой зоны этот уровень устанавливается в намытом грунте на глубине до 3,5 4,0 метров от поверхности дна водоема).

Глубинное разжижение и последующее упрочение намытого 5 грунта (одновременное уплотнение и омоноличивание) выполняют вокруг установленных армирующих 3 элементов с использованием подъемно-транспортного 1 устройства и пространственной 2 конструкции воздействием вибрации и высоконапорного потока воды (разжижение грунта), омоноличивающего раствора и сжатого воздуха (упрочение грунта с образованием пористой структуры) фиг.1.

Для этого устанавливают подъемно-транспортное 1 устройство с пространственной 2 конструкцией на месте упрочения намытого 5 грунта. Затем соединяют входной 16 патрубок верхней части пространственной 2 конструкции с высоконапорным водяным насосом и, одновременно, включают вибратор 15, погружая пространственную 2 конструкцию в разжижающийся намывной 5 грунт действием вибрации и собственного веса. Выпуск высоконапорной струи воды выполняют вертикально вниз через напорный 18 клапан и наконечник 17 с гидромониторной насадкой.

Специфика работы напорного 18 клапан заключается в том, что он пропускает поток воды лишь при создании высокого напора, например, более 1 МПа, и прекращает работать при более низких давлениях. Это позволяет использовать, в свою очередь, этот гидравлический канал пространственной 2 конструкции и для последующей подачи омоноличивающего раствора в намытый 5 грунт через нагнетательные 20 патрубки при более низком давлении.

После достижения нагнетательными 20 патрубками пространственной 2 конструкции проектной отметки основания упрочняемого намытого 5 грунта, входной 16 патрубок отсоединяют от высоконапорного водяного насоса и подсоединяют к источнику нагнетания омоноличивающего раствора с более низким давлением до 1,0 МПа. В этом случае напорный 18 клапан будет закрыт, а пространственная 2 конструкция готова к работе в режиме уплотнения и омоноличивания намытого 5 грунта.

Для этого омоноличивающий раствор, также как и высоконапорный водяной поток, подается насосом через входной 16 патрубок в вертикальную 14 полую штангу и нагнетательные 20 патрубки и далее через перфорированные отверстия в зону 6 упрочнения намытого 5 грунта.

В случае необходимости на расчетных отметках увеличивают или уменьшают подачу омоноличивающего раствора для обеспечения заданной проектной прочности во всей зоне 6 упрочнения намытого 5 грунта.

С целью создания пористой структуры упрочняемого намывного 5 грунта, одновременно с подачей вяжущего (омоноличивающего раствора) через входной 16 патрубок верхней части пространственной 3 конструкции подают сжатый воздух от воздушного компрессора.

Введение омоноличивающего раствора в тело намывного берегового сооружения и глубинное уплотнение выполняют, как уже отмечалось выше, после достижения пространственной 2 конструкцией проектной отметки основания упрочняемого (уплотняемого и омоноличиваемого) намывного 5 грунта при включенном вибраторе 15 посредством его цикличного подъема и опускания в определенном режиме.

Для усиления прочности намытого 5 грунта и повышения его плотности сложения при сопряжении с армирующими 3 элементами возможно изменение скорости извлечения пространственной 2 конструкции, ее остановка или повторное погружение также при включенном вибраторе 15.

При подъеме пространственной 2 конструкции и достижении нагнетательными 20 патрубками проектной отметки верха зоны 6 упрочения прекращают подачу омоноличивающего раствора. После полного извлечения пространственной 2 конструкции из намытого 5 грунта выключают вибратор 15.

После окончания проведения работ по глубинному упрочнению намытого 5 грунта извлекают внешнюю 9 оболочку армирующего 3 элемента из углубления, а внутреннюю 10 оболочку с посадочным 11 материалом и почвой 12 оставляют в зоне 6 упрочнения намытого 5 грунта.

В результате совместного воздействия на водонасыщенный намываемый 5 грунт воздушной аэрации, глубинной вибрации, введения омоноличивающего раствора, глубинного уплотнения в определенном режиме, образуется специфическая пористая упрочненная структура грунтового намывного сооружения. Такая структура обеспечивает эффективное проникновение по ее пористым каналам корневой 12 системы высаженной древесно-кустарниковой растительности (ДКР), которая выполняет роль армирующих элементов "биологического" армирования упрочненного грунта.

По окончании строительных работ выполняют технологический контроль за качеством инженерно-биологической защиты в послестроительный период, а именно:
контроль за интенсивностью абразии песчаного примыва; контроль за интенсивностью развития корневой системы древесно-кустарниковой растительности (ДКР);
контроль за качеством глубинного упрочнения намытого грунта.

В случае установления несоответствия указанных выше контрольных параметров принятым расчетным выполняют дополнительные мероприятия по их восстановлению: намыву грунта на напорный откос (восстановление песчаного примыва), подпитку корневой системы древесно-кустарниковой растительности питательными веществами и другие мероприятия.

При соблюдении установленных конструктивных и технологических параметров (по данным технологического контроля) и сроков, необходимых для развития заданных прочностных показателей, инженерно-биологическая защита намывного берегового сооружения от абразии будет обеспечена предлагаемым способом.

Пример выполнения способа.

Выполнялась инженерно-биологическая защита береговой намывной территории в Куршском заливе у поселка Морское Калининградской области.

Намывная территория образована средствами гидромеханизации из морского мелкого песка на площади в 20 га (ширина 125 м, протяженность 1600 м) с объемом намытого грунта в теле сооружения, равном 600,0 тыс.м³. Заложение подводного откоса 1: 40; глубина водоема на внешней границе берегозащиты 1,4 метра. Уровень волнового воздействия на грунт основания до 0,8 м; интенсивность абразии защищаемого участка побережья составляла 3,2 м/год.

Для защиты намывной береговой территории от размыва в период устройства инженерно-биологической защиты был выполнен намыв песчаного примыва: объем намыва 68 тыс.м³, ширина надводной части 21 м, объем каменно-щебенчатой наброски на напорном откосе 5,8 тыс.м³.

В качестве посадочного материала использовали черенки ивы длиной 0,5 - 0,8 м, которые помещали в армирующие элементы в пучках по 10-12 штук в каждом. При этом внешними армирующими элементами служили асбесто-цементные патрубки, длиной 1,8 м, диаметром 3200 мм в количестве 1200 штук.

Посадки выполняли параллельными рядами вдоль уреза воды. Расстояние между посадками составляло от 1,0 до 1,5 м. Одновременно с посадками черенков ивы выполнялось упрочнение грунта на глубину до 2,5 метров при вибрационном погружении устройства на заданную глубину, воздействии на грунт вертикальными колебаниями и высоконапорного потока воды до образования зоны разжиженного состояния грунта, введение в него упрочняющего раствора цемента марки М-400 и сжатого воздуха под давлением 0,8 МПа. При этом расход упрочняющего раствора на 1 м³ грунта составил 350 кг, а расход сжатого воздуха 35 м³/м³ упрочняющего раствора.

Время одного погружения пространственной конструкции составляло 25 минут, время подъема, с периодическими остановками при включенном вибраторе (например, через 0,5 метра), составило 1 час 20 мин.

Инженерно-биологические показатели защиты береговой намывной территории приведены в таблице.

Сравнительный анализ полученных результатов предложенного метода с ранее известным (по прототипу) показал, что использование предлагаемого технического решения инженерно-биологической защиты позволяет значительно повысить ее эффективность.

Так например, интенсивность абразии уменьшить в 3 раза, количество сохранившихся после осенне-зимних штормов посадок составило 100 а увеличение массы корневой системы посадочного материала за 3 года составило (увеличилась) 6,7 раза.

Таким образом, изобретение обеспечивает эффективную инженерно-биологическую защиту намывной береговой территории посредством глубинного упрочнения грунта и армирования посадочного материала.

Формула изобретения

1. Способ инженерно-биологической защиты берега от размыва, включающий выполнение в грунте основания приурезовой зоны водоема углубления, укладку в него армирующего элемента с посадочным материалом и почвой, анкерование армирующего элемента с грунтом основания и его закрепление укладкой гравийно-каменного материала, отличающийся тем, что армирующий элемент выполняют в виде внутренней и внешней оболочек, перед укладкой гравийно-каменного материала производят намыв грунта вокруг армирующего элемента, затем упрочняют грунт перед армирующим элементом на глубину, превышающую уровень волнового воздействия на грунт основания, путем подачи в грунт омоноличивающего раствора, после чего извлекают внешнюю оболочку армирующего элемента из грунта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед подачей в грунт омоноличивающего раствора производят увеличение пористости грунта путем подачи в него воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4