СИСТЕМА УКРЕПЛЕНИЯ МОРСКОГО БЕРЕГА ОТ ВОЛНОВОЙ ЭРОЗИИ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к системам укрепления локальных участков морского берега от волновой эрозии и может найти применение при разработке и создании экономически обоснованных биопозитивных конструкций морских вдольбереговых укрепительных сооружений и при проведении восстановительных работ на берегозащитных сооружениях для повышения их эффективности и стабильности.
Морской берег находится в зоне взаимодействия литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы, при этом значительная часть населения земного шара живет на морских и океанических берегах. На морских берегах, как правило, располагаются многочисленные культурные, промышленные и транспортные объекты, сооружение которых зачастую сопровождается изъятием из береговой зоны значительного количества пляжного песчаного, галечного и ракушечного материала. Поскольку природные пляжи являются главным защитником морских берегов от разрушения необходимо искать пути их эффективной защиты.
Существует много приемов защиты морских берегов: навалы глыб и тетраподов в полосе прибоя, строительство бетонных стенок и других конструкций, которые предназначены для непосредственной защиты берега от воздействия прибоя. Для перехвата вдольберегового потока наносов строят бетонные дамбы, перпендикулярные берегу. Для разрушения волн с целью уменьшения их энергии на некотором удалении сооружают волноломы в виде бетонных дамб, параллельных береговой линии. Все эти дорогостоящие сооружения защищают локальные участки берега далеко не всегда. Так, навалы различных глыб и защитные стенки, возведенные на берегах, сложенных легкоразмываемыми грунтами, разрушаются или деформируются уже через несколько лет. Буны, перехватывая идущие вдоль берега наносы, лишают пляжевого материала соседние участки, где начинается усиленный размыв морского берега. В последнее время интенсивно разрабатываются новые системы рационального освоения и способы инженерной защиты морских побережий на основе гидролитодинамических исследований береговой зоны, транспорта наносов, волновых нагрузок на берегозащитные сооружения и анализа состояния русловых течений для разработки эффективных, экономически обоснованных биопозитивных конструкций берегозащитных сооружений и технологии их строительства.
Одной из наиболее острых является проблема защиты берегов Черного моря, в котором до начала прошлого века береговые процессы проходили практически без участия человека. Тогда средняя ширина пляжей достигала 40-50 метров, что было достаточно для того, чтобы волны не оказывали активного воздействия на береговые уступы. Побережье находилось в стадии стабильного динамического равновесия, когда количество поступающего и истираемого пляжеобразующего материала в береговой зоне было приблизительно равно. Защитные мероприятия проводились лишь на отдельных участках хозяйственной деятельности человека. Длительное время берегоукрепительные работы проводили для ликвидации локальных очагов размыва, что не могло удовлетворить растущие потребности хозяйственного и курортного строительства. В 1961 году в СССР была разработана первая Генеральная схема, в основу которой положено строительство жестких систем берегоукрепления. Хотя она и называлась генеральной, но фактически преследовала целью защиту локальных участков в пределах городских территорий и важных коммуникаций. Частичная реализация этого плана оказалась столь малоэффективной, что уже через 10 лет потребовалось разработать новую Генеральную схему. К тому времени стоимость берегоукрепительных работ возросла как за счет увеличения длины размываемых участков, так и применения большего количества сооружений.
Как и раньше, укрепление берега предусматривалось в пределах крупных городов, курортов, портовых хозяйств, но широкое внедрение железобетона не привело к стабилизации берега. Как это ни парадоксально, в худшем положении оказались те участки, где берегоукрепительные работы велись самое продолжительное время. Несостоятельность указанного подхода стала особенно очевидной, когда ремонтно-восстановительные работы стали превышать стоимость целевых объектов берегоукрепления. Такие действия не отвечают требованиям комплексного подхода к береговой зоне как целостной природной системе и привели к серьезным экономическим и экологическим последствиям (см. Куклев С.Б. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата географических наук «Проблемы защиты берегов российского сектора Черного моря» 2003 г. http://www.dissercat.com/content/problemy-zashchity-beregov-rossiiskogo-sektora-chemogo-morya).
Для повышения стабильности берегозащитных сооружений рек, водохранилищ и технологических откосов грунтовых объектов при проведении строительных работ в некоторых случаях осуществляют их укрепление, в том числе, путем установки габионных и сопрягаемых с ними конструкций (см. Альбом конструкций креплений откосов земляного полотна железных и автомобильных дорог общей сети Союза ССР. М., Мосгипротранс, 1970, 197 с.). В частности, известна система укрепления откосов, содержащая соединенные между собой габионы, выполненные в виде проволочных сетчатых каркасов, заполненных дисперсным материалом, преимущественно, щебнем твердых пород фракцией не менее размеров ячейки габионной сетки (см. Перевозников Б.Ф., Селиверстов В.Л. Дорожно-мостовые габионные конструкции и сооружения. Обзорная информация, 2 - 2001. Раздел 3.1. Габионы конструкций Мосгипротранса и их предназначение. http://www.znaytovar.ru/gost/2/Obzomaya_informaciya Avtomobi118.html).
В частности, известна система укрепления откосов, содержащая расположенные на наклонном основании участки, включающие регулярно установленные и соединенные между собой массивные блоки и наброски природного материала в виде камня, гальки и песка (см. патент РФ № 113278, опублик. 10.02.2012).
Особенностью известной системы является то, что она содержит соединенные между собой габионы, выполненные в виде проволочных сетчатых каркасов, заполненных дисперсным материалом, преимущественно, щебнем твердых пород фракцией не менее размеров ячейки габионной сетки, причем дисперсный материал заполнителя в габионах содержит, по крайней мере, один внешний защитный слой, щебень в котором пропитан жидким полимерным связующим на основе полиуретана с образованием пористой структуры глубиной 5-14 см за счет склеивании зерен щебня в точках их соприкосновения, причем внешний защитный слой расположен, преимущественно, в верхней, боковой или наклонной части, соответственно, в габионах горизонтального, вертикального или наклонного размещения.
К недостаткам вышеупомянутых технических решений следует отнести то, что они малоэффективны или неприменимы для использования в системах укрепления локальных участков морского берега от волновой эрозии, в том числе, при проведении масштабных строительных и восстановительных работ для повышения стабильности морских вдольбереговых укрепительных сооружений. В частности, при использовании габионных и сопрягаемых с ними конструкций для укрепления морского берега с течением времени возможно существенное снижение прочностных характеристик габионных конструкций и потеря их устойчивости, в том числе, из-за эрозионного и абразивного воздействия гидропесчаных взвесей, волн и течений.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система укрепления морского берега от волновой эрозии, содержащая надводные берегоукрепительные сооружения, включающие железобетонные конструкции и наброски природного материала в виде камня, гальки и песка (см. Сафьянов Г.А. «Береговая зона в XX веке» М., Мысль, 1978; а также «Опыт защиты от волновой эрозии восточного побережья Черного моря» http://www.comna.coastdyn.ru/theme/articlel.pdf - прототип)
Особенностью известного технического решения является то, что для защиты берегов на восточном побережье Черного моря на участках берега с острым дефицитом наносов использовались берегоукрепительные сооружения в виде волногасящих набросов природного камня или фигурных железобетонных блоков, при этом искусственно изготовленные блоки правильной геометрической формы почти всегда оказывались менее устойчивыми к волновым нагрузкам, чем равные им по весу обломки природного камня. Проведенные исследования показали, что каменный массив должен иметь минимальное количество гладких поверхностей, при этом неровный массив обеспечивает максимальное рассеивание волновой энергии за счет локального турбулентного движения воды.
К недостаткам известного технического решения и множества ему подобных следует отнести значительные затраты на производство сплошных железобетонных конструкций для берегоукрепительных сооружений, а также поставки значительной массы каменных набросов, которые обычно используются там, где нет возможности отсыпать галечный или песчаный пляж, в том числе, из-за отсутствия или дороговизны доставки значительных количеств подходящего пляжного гравийного или песчаного материала или по другим соображениям. В итоге широкое внедрение железобетона не привело к стабилизации урбанизированных участков морских берегов и ремонтно-восстановительные работы берегозащитных укреплений стали превышать их начальную стоимость.
Решаемой задачей полезной модели является создание стабильных, сравнительно малозатратных, эффективных и экономически обоснованных биопозитивных конструкций морских вдольбереговых укрепительных сооружений, пригодных для проведения сезонных регламентно-восстановительных работ.
Техническим результатом предложенной системы укрепления морского берега от волновой эрозии является устранение указанных недостатков известных технических решений, повышение стабильности берегового грунта, снижение эрозии и волновой нагрузки на надводные части берегоукрепительных сооружений, в том числе, путем фиксации и увеличения удерживающей способности насыпного грунта, а также созданием условий для дополнительного дренажа и волнопоглощения.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе укрепления морского берега от волновой эрозии, содержащей надводное берегоукрепительное сооружение, включающее железобетонные конструкции и наброски природного материала в виде камня, гальки и песка, согласно полезной модели, наружная поверхность надводного берегоукрепительного сооружения от границы променада, по крайней мере, до границы отлива снабжена защитным слоем галечного или щебневого композита толщиной 0,15-0,35 м, пропитанного жидким полимерным связующим с образованием пористой структуры за счет склеивании зерен указанного композита между собой, в местах соприкосновения с наружной поверхностью надводного берегоукрепительного сооружения и с частицами материала в пляжном поясе, причем на расстоянии от границы прилива вдоль береговой линии расположен участок антиэррозионной защиты в виде наброски из валунов или крупного камня на глубину, по крайней мере, до уровня отлива.
Кроме того, надводное берегоукрепительное сооружение, расположенное вдоль береговой линии между границей променада и верхней границей участка антиэррозионной защиты, может включать участок, содержащий железобетонные элементы, преимущественно, в виде регулярно или хаотично расположенных блоков, опирающихся на подушку из пляжного материала, причем нижняя часть участка, содержащего железобетонные элементы, может быть ограничена силовым свайным поясом и заглубленным защитным фартуком в виде слоя галечного или щебневого композита, пропитанного жидким полимерным связующим, а промежутки между валунами или крупного камня участка антиэррозионной защиты могут быть также заполнены указанным композитом, пропитанным жидким полимерным связующим.
Кроме того, защитные слои галечного или щебневого композита могут быть пропитаны жидким полимерным связующим на основе полиуретанового эластомерного материала или других полимерных материалов с аналогичными свойствами.
Такое выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу, устранить недостатки известных технических решений и достичь указанный технический результат по повышению стабильности берегового грунта, снижению эрозии и волновой нагрузки на надводные части берегоукрепительного сооружения путем нанесения на его наружную поверхность защитного слоя галечного или щебневого композита, пропитанного жидким полимерным связующим с образованием сплошной прочной и пористой водопроницаемой структуры между зернами указанного композита. Дополнительный участок из валунов или крупного камня, промежутки между которыми могут быть заполнены указанным композитом, обеспечивает эффективную антиэррозионную защиту всей линии берегоукрепительного сооружения. При этом создается прочная водопроницаемая «гибкая» конструкция, которая позволяет стабилизировать береговой грунт выше и ниже участка антиэррозионной защиты и в значительной степени уменьшает волновое воздействие на берегоукрепительное сооружение. Данный участок антиэррозионной защиты из больших камней является на взгляд специалистов BASF единственно возможным решением, поскольку массив участок, оставаясь на месте, пропускает волну и гасит ее кинетическую энергию, сокращая воздействие волны на ростверк.
Если надводное берегоукрепительное сооружение, расположенное вдоль береговой линии между границей променада и верхней границей участка антиэррозионной защиты, включает участок, содержащий железобетонные элементы, например, в виде регулярно или хаотично расположенных водопроницаемых железобетонных блоков, то под ним также возможно разместить дополнительный защитный слой галечного или щебневого композита, пропитанного жидким полимерным связующим, расположенный на подушке из пляжного материала для дополнительной стабилизации грунта.
Нижняя граница участка, содержащего железобетонные элементы, может быть ограничена силовым свайным поясом и заглубленным защитным фартуком в виде указанного слоя галечного или щебневого композита, также пропитанного жидким полимерным связующим для предотвращения или ограничения размыва и стабилизация грунта под железобетонными элементами. При этом указанные защитные слои галечного или щебневого композита могут быть пропитаны жидким полимерным связующим на основе полиуретанового эластомерного материала или других полимерных материалов с аналогичными свойствами, которые обеспечивают фиксацию и увеличение удерживающей способности насыпного грунта, а также создают условия для дополнительного дренажа и волнопоглощения.
Проведенные в 000 «ЭЛАСТОИМПЭКС» опытные исследования по формированию каркасной структуры в защитных щебеночных слоях насыпей, железнодорожных призм, берегоукрепительных сооружений, в том числе, габионного типа путем их пропитки жидким полимерным связующим на основе полиуретана на глубину менее 15 см показали, что эти значения недостаточны для достижения указанного технического результата для укрепления морского берега, а увеличение глубины пропитки щебеночных слоев заполнителя более 35 см связано с избыточными затратами композита на основе щебеночного материала и полимерного связующего. Необходимым условием дополнительного укрепления данных участков щебеночного слоя береговых укреплений жидким полимерным связующим на основе полиуретана является их выдержка в течение 1-4 час для полного отверждения связующего.
На фиг. 1 показано сечение предложенной системы укрепления морского берега от волновой эрозии, включающей железобетонные блоки, свайный пояс и защитные слои галечного или щебневого композита.
Система укрепления морского берега от волновой эрозии содержит надводное берегоукрепительное сооружение, включающее железобетонные конструкции 1 и наброски 2, 3, 4 природного материала. При этом наброски 2, 3 представляют собой, преимущественно пляжный материал, включающий песок, гальку или щебень, а наброски 4 - валуны или крупный камень для образования участка антиэррозионной защиты.
Наружная поверхность элементов надводного берегоукрепительного сооружения от границы променада 5, по крайней мере, до границы отлива снабжена защитным слоем галечного или щебневого композита 6 толщиной 0,15-0,35 м, пропитанного жидким полимерным связующим с образованием пористой структуры за счет склеивании зерен указанного композита между собой и в местах соприкосновения с наружной поверхностью надводного берегоукрепительного сооружения и с частицами материала в пляжном поясе 2, причем на расстоянии от границы прилива вдоль береговой линии расположен участок наброски 4 природного материала в виде валунов или крупного камня, зазоры между которыми могут быть заполнены пляжным материалом или указанным композитом, пропитанным жидким полимерным связующим. Участок наброски 4 выполняет функцию антиэррозионной защиты берегоукрепительного сооружения. При этом глубина наброски 4 должна достигать, по крайней мере, уровня отлива или еще ниже.
Надводная строительная часть берегоукрепительного сооружения расположена вдоль береговой линии между границей променада 5 и верхней границей участка наброски 4 антиэррозионной защиты. Данная часть берегоукрепительного сооружения включает железобетонные элементы, например, в виде регулярно расположенных железобетонных блоков 1, опирающихся через нижний защитный слой 7, например, тканый пропитанный полимером материал, на подушку 3 из пляжного материала. При этом нижняя граница участка, содержащего железобетонные блоки 1, ограничена силовым свайным поясом 8 и заглубленным защитным фартуком 9 в виде дополнительного слоя галечного или щебневого композита, пропитанного жидким полимерным связующим для предотвращения размыва и стабилизация грунта 2 под железобетонными блоками 1.
На фиг. 1 показаны примерные уровни высоты площадки променада (+5 м), ростверка (+2,5 м) и глубины погружения свай свайного пояса (- 4,5 м). В качестве примера указаны обозначения для ориентировочных размеров берегоукрепительного сооружения, которые могут составлять, соответственно, А=10 м, Б=5 м, В=10 м и Г=5 м.
Система укрепления морского берега от волновой эрозии функционирует следующим образом.
При проектировании и создании надводного берегоукрепительного сооружения обеспечивают поставки необходимого количества железобетонных блоков 1 и природного материала для наброски 2, 3, 4 в виде щебня, гальки, валунов, песка и полимерного связующего, например, на основе полиуретанового эластомерного материала.
Надводное берегоукрепительное сооружение, как было указано, располагают вдоль береговой линии между проектной границей променада 5 и верхней границей участка наброски 4 антиэррозионной защиты. Участок для железобетонных блоков 1 сначала выравнивают, затем формируют подушку 3 из пляжного материала, на нее укладывают нижний защитный слой 7 в виде тканого пропитанного полимером материала, на который уже в определенном порядке укладывают железобетонные блоки 1. При этом нижняя граница участка, содержащего железобетонные блоки 1 фиксируется заранее сформированным силовым свайным поясом 8 и заглубленным защитным фартуком 9 в виде слоя галечного композита, пропитанного жидким полимерным связующим, для предотвращения размыва и стабилизация грунта 2 под железобетонными блоками 1. Перед этим на расстоянии от границы прилива ниже свайного пояса 8 вдоль береговой линии обеспечивают выемку глубиной около 2 м для наброски 4 природного материала в виде валунов средних размеров около 50-90 см.
После этого наружную поверхность элементов надводного берегоукрепительного сооружения от променада 5 до границы отлива или на 1-2 м ниже покрывают предварительно заготовленным композитом из смеси промытой и просушенной гальки (крупностью 2-6 см и более), смешанной с жидким полимерным связующим на основе полиуретанового эластомерного материала для формирования защитного слоя галечного композита 6 толщиной от 0,2 до 0,25 м или более с образованием пористой структуры за счет склеивания зерен указанного композита между собой и с местами соприкосновения с наружной поверхностью железобетонных блоков 1 надводного берегоукрепительного сооружения и с частицами материала в пляжном поясе 2. После выполнения профиля наброски 4, до укладки основного защитного слоя галечного композита 6, возможна частичная подача на наброску 4 рассчитанного количества указанной смеси из гальки и жидкого полимерного связующего на основе полиуретанового эластомерного материала для заполнения значительных зазоров в верхнем или более нижних слоях между валунами.
Волна, прошедшая через пляжный пояс 2 проходит выше, попадает на ростверка и верхние ярусы берегоукрепительного сооружения. При этом волна проходит по поверхности защитного слоя галечного композита 6, пропитанного жидким полимерным связующим. Образованная пористая структура галечного композита обеспечивает гашение энергии волны за счет турбулентных течений в межгалечном пространстве и одновременно дренаж в зону под железобетонными блоками и в другие нижележащие слои грунта фактически без потери скрепленного полимером галечного материала. Указанные процессы предохраняют грунт основания 2 от подмыва и блоки 1 от смещения и нарушения проектной геометрии берегоукрепительного сооружения. Силовой свайный пояс 8 и защитный фартук 9 в виде слоя галечного композита, пропитанного жидким полимерным связующим фиксирует нижнюю границу участка, содержащего железобетонные блоки 1 и обеспечивает совместно с указанными выше частями берегоукрепительного сооружения стабилизацию грунта 2, в том числе под железобетонными блоками 1.
3
Для формирования системы береговых укреплений целесообразно использовать гальку или щебень из плотных горных пород в соответствии с ГОСТ 7392-2002 с номинальным размером зерен 15-60 мм и более, а в качестве связующего - полиуретановый эластомерный материал плотностью 1,09 г/см. В период обработки внешнего защитного галечного или щебеночного слоя полимерным связующим на основе полиуретанового эластомерного материала на период отверждения обработанные поверхности берегоукрепительного сооружения закрывают укрывным материалом. Формирование указанного слоя 6 ниже береговой линии, по данным проведенных исследований, возможно при соблюдении ряда условий, связанных с ответственной предварительной подготовкой упомянутого композита в смеси с полимерным связующим, с учетом климатических факторов и соответствующей технологии укладки на пляжный материал.
Формирование защитного галечного композита обеспечивает упрочение берегоукрепительных сооружений различного назначения за счет увеличения удерживающей способности зерен гальки или щебня, предотвращения осыпания и нежелательного выбивания зернистого материала при нормативных и ненормативных внешних воздействиях, в том числе морских волн. При этом полученная пористая структура внешних защитных слоев не задерживает на поверхности влагу, ее эластичные свойства в склеенном состоянии позволяют в течении многих лет сохранять внешний щебеночный слой от различных, в том числе, экстремальных внешних воздействий (лед, водопесчаные суспензии, потоки воды).
Увеличение удерживающей способности защитного галечного композита приводит к значительному улучшению эксплуатационных характеристик в системах берегоукрепительных сооружений и позволяет повысить стабильность грунтовых объектов под железобетонными конструкциями берегозащитных укрепительных сооружений в широком диапазоне воздействующих факторов, в том числе, типичных климатических температур наружного воздуха, атмосферных осадков при различном волнении моря. Предложенная система укрепления локальных участков морского берега от волновой эрозии позволяет существенно снизить неблагоприятное воздействие волновой нагрузки на ростверк, содействует предотвращению эрозии, стабилизации насыпного грунта в районе свайного пояса, фиксации элементов надводного берегоукрепительного сооружения, а также приданию ему современного эстетического вида.