Причины разрушения откосов. -Типы и конструкции креплений.

Движение судов по каналу, как показано в п. 11.2, носит сложный гидравлический характер и связано с деформациями дна и откосов канала. Деформации ложа канала вызываются не только неустановившимся характером движения воды, но и под воздействием других факторов.

К основным факторам, вызывающим разрушение дна и откосов канала, относятся:

• скорости течения воды при движении судов;
• судовые волны;
• воздействие струй воды от движителей судов;
• сток поверхностных и грунтовых вод;
• действие льда.

Размыв дна и откосов канала может иметь место при несоблюдении условия (11.8). В этом случае, как уже отмечалось, предусматривается укрепление ложа слоем неразмываемого гравелистого грунта.

Действие судовых волн – основная причина разрушения откосов канала. Судовые волны возникают в результате выведения из равновесия частиц воды движущимся судном. Под действием сил тяжести частицы воды совершают колебания, вызывающие периодические изменения формы свободной поверхности – волновые движения. Природа возникновения судовых волн подробно рассматривается в специальной литературе. Судовые волны принято разделять на носовые и кормовые, расходящиеся и поперечные. Величина интерферированной судовой волны существенно зависит от размеров судна и скорости его движения по каналу, и оказывает значительное силовое воздействие на его откосы.

При работе движителей судов, струи воды от винтов распространяются в канал с большими скоростями, которые могут достигать дна и откосов, и иногда, превышать допускаемые значения неразмывающих скоростей для грунтов ложа канала.

При интенсивных осадках и таянии снега вода стекает по откосам в канал со скоростями, зависящими от величины расхода поверхностных вод, интенсивности выпадения осадков, высоты и уклона откосов.

Воздействие грунтовых вод на откосах имеет место при их выходе выше уровня воды в канале, расположенном в глубокой выемке. В каналах, расположенных в насыпи, имеет место фильтрация воды из канала в грунт. Действие грунтовых вод и положение кривой фильтрации зависит от уровня воды в канале, оно сильнее проявляется при высоком уровне. При выклинивании грунтовых вод на откосах происходит насыщение грунта водой, который под действием силы тяжести может потерять свою устойчивость и сползти по откосу. Для исключения этого явления предусматривают покрытие откосов дерном, посев трав, устройство кюветов, дренирование и другие мероприятия.

Одной из причин деформации откосов является действие льда, которое проявляется при колебаниях уровня воды в канале. В зимний период грунт откосов смерзается со льдом и при повышении или понижении уровня ледяной покров вблизи берега изгибается вверх или вниз, разрушая откос по всей длине на высоте сцепления льда с грунтом. При регулярных и незначительных колебаниях уровней воды у кромки берега наблюдаются продольные трещины, не успевающие замерзнуть, поэтому связь ледяного покрова с откосом и его разрушения отсутствует.

Наиболее эффективным инженерным мероприятием, направленным на предотвращение деформации откосов канала, считается устройство креплений, способных погасить энергию судовых волн, исключить воздействие льда и других рассмотренных факторов, не причиняя повреждения откосов.

Крепление откосов по расположению разделяют на основное, располагаемое в зоне действия судовых волн и льда, облегченное подводное – ниже основного и облегченное надводное – выше основного (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Схема к определению границ крепления откосов:

1 – облегченное подводное; 2 – основное крепление; 3 – облегченное надводное

Высокие требования по прочности и долговечности предъявляются к основному креплению, воспринимающему значительные силовые воздействия судовых волн и льда. Облегченное подводное крепление на участке ниже основного устраивается в том случае, когда скорость потока обтекания относительно берега υ_б (11.8) в 1,2 раза больше неразмывающей скорости грунта ложа канала υ_н. В этом случае предусматривают крепление отсыпкой гравия или камня. Облегченное надводное строение выше основного проектируется с учетом особенностей берега: обычно используют одерновку, посев трав, рассадку ивняка.

Границы основного крепления откосов канала непосредственно зависят от элементов судовых волн, для определения которых применяются полуэмпирические зависимости. Высота судовой волны определяется величиной волнового сопротивления, которое испытывает судно при движении по каналу. Исходя из этого, высоту интерферированной судовой волны (h_с) определяют по формуле

, (11.11)

где: δ = 0,75–0,90 – коэффициент полноты водоизмещения судов.

Высота наката судовой волны (h_н.с) принимаются равной

, (11.12)

где: β_к.о – коэффициент, характеризующий крепление откосов (для креплений из плит, например, он принимается равным 1,4 и 0,8 – для каменной наброски).

Возвышение основного крепления над наивысшим судоходным уровнем (h_в.к) принимается равным высоте наката судовой волны

. (11.13)

Нижняя граница основного крепления принимается от наинизшего судоходного уровня и определяется равной

, (11.14)

где: β – коэффициент, принимаемый в зависимости от величины коэффициента стеснения канала (k).

Низ крепления должен располагаться на глубине не менее 2,0 м от наинизшего судоходного уровня воды.

По условиям восприятия силового воздействия и конструктивному устройству крепления откосов разделяют на тяжелые, легкие и особые.

Тяжелые крепления сопротивляются воздействию судовых волн и льда своим собственным весом, не допуская непосредственного действия на грунт откоса. К этому типу креплений относятся: каменные (мощение или наброска), бетонные и железобетонные плиты, асфальтовые, асфальтобетонные, железобетонные ящики с камнем, габионы и др. Наиболее широкое применение получили крепления в виде плит и каменной наброски (рис. 11.4).

Бетонные крепления выполняются в виде монолитных или сборных железобетонных плит. Бетонные монолитные плиты (рис. 11.4, а) имеют толщину от 0,15 до 0,8 м, и в плане разделяются между собой температурно-осадочными швами. Размер плит 4х5, 5х5 или 5х6 м. Для предотвращения сползания плит по откосу в низовом конце крепления устраивают упор в виде бетонного блока или шапочного бруса.

В швы между плитами укладывают доски или заполняют их эластичным материалом (битумом, асфальтобетоном и др.). Под швами устанавливаются плиты-прокладки и под ними целесообразно иметь обратные фильтры. Для предотвращения образования пустот под плитами по откосу, примерно через 10 м укладывают противосуффозионные шпонки, изготовленные из антисептированного дерева, бетона или керамики.

Крепление откосов монолитными плитами позволяет полностью механизировать их устройство, иметь небольшой расход арматуры и сравнительно малую стоимость.

Рис. 11.4. Типы креплений откосов:

а – бетонными плитами; б – каменной наброской; 1 – бетонная плита; 2 – упор; 3 – температурно-осадочный шов; 4 – противосуффозионная шпонка; 5 – ленточный обратный фильтр; 6 – обратный фильтр; 7 – наброска из камня; 8 – плита-подкладка; 9 – арматура; 10 – песчано- гравийная подготовка

Основным недостатком крепления является чувствительность к неравномерным осадкам, что приводит к образованию трещин и поэтому плиты необходимо соединять непрерывной арматурой.

Сборные железобетонные плиты для крепления откосов могут изготавливаться с предварительным напряжением и без предварительного напряжения. Устойчивость плит при действии волн обеспечивается гибким соединением их арматурой. Во избежание вибрационных колебаний, вызванных волновыми нагрузками, плиты рекомендуется укладывать на тщательно выполненный обратный фильтр или на маты из минерального войлока.

Крепление из сборных железобетонных плит требует несколько большего расхода арматуры и материалов, а их стоимость на 15-20 % превышает стоимость крепления монолитными плитами.

Каменная наброска (рис. 11.4, б) состоит из слоя камней, уложенных без связи друг с другом на гравийно-песчаном фильтре, способных за счет собственного веса сохранять устойчивость при воздействии судовых волн. Упорную часть крепления обычно выполняют в виде бермы или призмы. Достоинствами наброски являются ее способность следовать за деформациями поверхности грунта откоса и сохранять сопротивляемость волновым воздействиям, возможность широкого применения механизации, простота восстановления в эксплуатационных условиях и низкая стоимость. Основными недостатками крепления являются: необходимость применения сортированного камня определенной крупности, большая толщина крепления и расход камня.

К особым креплениям относятся вертикальные стенки, возводимые в основном при прохождении каналов через крупные населенные пункты. Наиболее широкое применение получили шпунтовые стенки. Они обладают высокой сопротивляемостью волновым воздействиям, но сложны при устройстве и являются дорогостоящими.

Легкие крепления препятствуют воздействию судовых волн за счет создания на береговом откосе дополнительных сопротивлений, интенсивного перемешивания масс воды и гашения энергии волн. К ним относятся фашинные, плетневые и хворостяные покрытия, укрепление дерном, посадка на откосе растений, гравийные отсыпки и др. Эти крепления рекомендуется применять в качестве облегченных конструкций. Ниже основного крепления под водой очень часто используют гравийные отсыпки, а для надводных – посадки различных растений. В качестве основного крепления их применяют редко: иногда на каналах с неинтенсивным судоходством как временные.

Достоинством легких креплений является их низкая стоимость, а недостатком – недолговечность и невозможность механизации работ (за исключением гравийной отсыпки) по их устройству.

Водный баланс каналов.