ПРОТИВОСЕЛЕВОЕ СООРУЖЕНИЕ
ANTI-MUDFLOW FACILITY

Заявленное техническое решение относится к области противоселевых мероприятий, а именно к области активных воздействий на селевые потоки с целью защиты от них нижерасположенных селитебных территорий, объектов инфраструктуры и т.д.
Известно противоселевое сооружение (ПСС) в виде решетчатой конструкции - железобетонной плотины [1, с.133], установленной в селевом русле.
Недостатком известного ПСС является невысокая надежность его работы, обусловленная отсутствием объемной жесткости, не позволяющей ему сохранить решетчатую структуру при потере устойчивости (оно складывается как «карточный домик» и разрушается [1]), а также тем, что оно установлено поперек селевого русла и закреплено (забетонировано) в основание и береговые склоны последнего. В связи с этим известная решетчатая конструкция разом и жестко, неподатливо (поскольку закреплена в основание и берега селевого русла) и одномоментно воспринимает на себя не только всю динамическую ударную силу селевого вала, но и стремительно нарастающую нагрузку от импульса сил присоединяющихся набегающих селевых масс, что приводит к ее разрушению [1, с.134].
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков (прототипом) является противоселевое сооружение, включающее жесткий объемно-каркасный элемент, выполненный в виде металлической решетчатой конструкции и установленный в селевом русле [2].
Недостатком известного ПСС является невысокая надежность его работы, обусловленная тем, что объемно-каркасный элемент в виде металлической решетчатой конструкции жестко закреплен в сплошную фундаментальную бетонную плиту строго определенным образом (а не в произвольной форме) - перпендикулярно к направлению селевого русла со ступенчато убывающими секциями как вдоль русла, так и по фронту - от центра к краям, при этом длина конструкции меньше ширины селевого русла. Всю динамическую нагрузку селевого потока рассматриваемое ПСС воспринимает разом в виде одномоментного ударного воздействия селевого вала - из-за его перпендикулярного расположения к направлению селевого русла. При этом сплошная фундаментальная плита создает эффект «парусности», потому что водная составляющая селевого потока, свободно поступая под плиту, оказывает мощное гидродинамическое давление на ее подошву, направленное снизу вверх. Кроме этого интенсивный размыв грунта основания под подошвой фундаментной плиты (глубиной до десятка метров и более, Герхожан 2000 г.) вызовет неравномерную осадку плиты с разломами.
Все изложенное создает значительные по величине подъемно-крутящие и опрокидывающие моменты сил, что ведет к потере устойчивости сооружения и его разрушению селевым потоком.
Следует также учитывать, что строительство известного ПСС [2] требует использования машин и механизмов. В связи с этим из-за отсутствия дорог практически невозможно его возведение в верховьях селеносных рек, то есть в зонах зарождения, где селевой поток еще не набрал полную мощность. Такое строительство возможно только в нижней (концевой) части транзитного участка селевого бассейна, где как раз таки селевой поток имеет наибольшую мощность. Указанное также существенно снижает надежность работы известного ПСС.
Техническим результатом от использования заявленного устройства является повышение надежности работы ПСС за счет разрушения структуры селя в результате постепенного, податливого на некотором расстоянии (50-80 м и более) и растянутого во времени, дифференцированного гашения энергии селевого потока, предотвращения размыва последним дна и береговых склонов вышерасположенного участка селевого русла, аккумуляции селевых масс и последующего снижения уклона селевого русла, а также за счет возможности установки ПСС (в том числе и без прокладки дорог) в верховьях селеносных русел (ближе к местам зарождения), где селевой поток не имеет еще достаточной мощности, то есть является еще маломощным.
Технический результат достигается тем, что жесткий объемно-каркасный элемент уложен в селевое русло в произвольной форме под углом к направлению селевого русла без крепления к последнему, при этом длина жесткого объемно-каркасного элемента превышает ширину селевого русла.
В предлагаемом ПСС жесткий объемно-каркасный элемент уложен в селевое русло перед его естественным сужением.
В предлагаемом ПСС жесткий объемно-каркасный элемент выполнен с торчащими в разные стороны штырями - консольными стержнями.
В предлагаемом ПСС жесткий объемно-каркасный элемент выполнен из бывших в эксплуатации деформированных или бракованных металлических ферм или опор высоковольтных ЛЭП, канатных дорог, мачт телевизионного, осветительного, телефонного оборудования.
В предлагаемом ПСС жесткий объемно-каркасный элемент выполнен сборным из отдельных стержней, допускающих их ручную транспортировку и сборку.
В предлагаемом ПСС жесткий объемно-каркасный элемент снабжен монтажным креплением для возможного его транспортирования по воздуху вертолетом и сброса или укладки в селевое русло.
В предлагаемом ПСС жесткий объемно-каркасный элемент, уложенный в селевое русло, загружен грунтовым и каменным материалом.
Известно противоселевое сооружение [3], в котором отдельные элементы сооружения, такие как потоконаправляющие железобетонные стенки и борты, установлены под углом к направлению потока. В данном случае не само сооружение расположено под углом к напралению потока, а только отдельные его элементы, и не в одном наклонном направлении, а по четырем разным направлениям. Само же сооружение жестко, стационарно закреплено в русле, в то время как предлагаемое уложено без крепления в произвольной форме под единым углом к направлению потока. В известном ПСС наклонные элементы служат для жесткого восприятия основного ударного воздействия и сопряжения с селевым руслом, в то время как предлагаемая укладка под углом к направлению селевого потока обеспечивает постепенное, дифференцированное и растянутое во времени гашение энергии селевого потока. В предлагаемом же ПСС, включающем уложенный в селевое русло в произвольной форме без крепления к последнему объемно-каркасный элемент в виде металлической решетчатой конструкции, укладка последнего под углом к направлению селевого потока при длине жесткого объемно-каркасного элемента, превышающей ширину селевого русла, обеспечивает повышение надежности работы ПСС за счет разрушения структуры селя в результате постепенного, податливого на некоторой длине (50-80 м и более) селевого русла и растянутого во времени, дифференцированного гашения энергии селевого потока, предотвращения размыва последним дна и береговых склонов селевого русла за счет разрушения структуры селевого потока, аккумуляции селевых масс и последующего снижения уклона селевого русла с перепадом на жестком объемно-каркасном элементе до 3-4 м и более, а также гашения энергии селя за счет эффекта «самоторможения», когда жесткий объемно-каркасный элемент воспринимает своим верховым концом приходящуюся на него часть удельной ударной силы селевого вала высотой до 3-4 м и более, движущегося с большими скоростями (до 8-10 м/с), а низовым концом, расположенным значительно впереди, вне зоны действия селевого вала, оказывает тормозящее действие в силу своей продольной и поперечной жесткости.
Выполнение ПСС с длиной жесткого объемно-каркасного элемента, превышающей ширину селевого русла, обеспечивает жесткому объемно-каркасному элементу при протаскивании его селевым потоком «зацепку» за береговые склоны и закупорку селевого русла, создавая при этом запруду из самого же селевого материала «армированного» металлическим жестким объемно-каркасным элементом.
Укладка жесткого объемно-каркасного элемента в селевое русло перед его естественным сужением позволяет последнему с большей надежностью закупорить сужающуюся часть селевого русла с созданием «армированной» запруды из селевого материала, что повышает надежность работы ПСС. Выполнение жесткого объемно-каркасного элемента с торчащими в разные стороны штырями - консольными стержнями позволяет повысить надежность «зацепки» жесткого объемно-каркасного элемента за береговые склоны и дно селевого русла и создать запруду из материалов селевых масс, «армированных» жестким объемно-каркасным элементом, что повышает надежность работы ПСС.
Выполнение жесткого объемно-каркасного элемента из бывших в эксплуатации деформированных или бракованных металлических ферм или опор высоковольтных ЛЭП, канатных дорог, мачт телевизионного, осветительного, телефонного оборудования позволяет повысить надежность и эффективность работы ПСС за счет сокращения сроков изготовления и установки жесткого объемно-каркасного элемента в селевое русло и снижения его стоимости, а также за счет различных пространственных форм жесткого объемно-каркасного элемента. Кроме этого решается также задача эффективной утилизации указанных, непригодных для использования по назначению, металлических ферм.
Выполнение жесткого объемно-каркасного элемента сборным из отдельных стержней, допускающих их ручную транспортировку и сборку, позволяет повысить надежность работы ПСС за счет возможного охвата противоселевой защитой многочисленных, труднодоступных селеносных русел и установки жесткого объемно-каркасного элемента в верховьях селевого бассейна, куда нет возможности проезда машин и механизмов, и где селевые потоки не «набрали» еще свою полную мощность. При этом возможно также использование вьючного транспорта, а также доставка комплектующих частей ПСС по воздуху вертолетами.
Снабжение жесткого объемно-каркасного элемента монтажным креплением позволяет повысить надежность работы ПСС за счет транспортирования его по воздуху вертолетом и сброса или установки в недоступные транзитные участки верховьев селеносных русел.
Загрузка жесткого объемно-каркасного элемента, установленного в селевом русле, грунтовым и каменным материалом позволяет повысить надежность работы ПСС за счет утяжеления жесткого объемно-каркасного элемента и заблаговременного создания искусственной «армированной» запруды из грунтовых и каменных материалов.
Кроме того, повышение надежности работы ПСС происходит также за счет возможности установки жесткого объемно-каркасного элемента в верховьях селеносных русел, ближе к очагам зарождения селя, где селевой поток еще не имеет достаточной мощности, то есть является еще маломощным.
3
Предлагаемая конструкция ПСС работает следующим образом. Во время схода селя в передней части грязекаменного потока (плотностью 1,6-1,8 т/м и более) формируется волна - селевой вал высотой до 3-4 м и более. При этом скорость движения селевого вала может достигать до 8-10 м/с и более. Такой поток обладает огромной разрушительной силой и оказывает на встречающиеся на его пути препятствия ударное динамическое воздействие большой мощности. Поэтому селевые потоки представляют значительную опасность для населенных пунктов, хозяйственных объектов и рекреационных зон в селевом русле, нередко приводящую к человеческим жертвам. В связи с изложенным проблема защиты от селевых потоков остается в настоящее время весьма актуальной.
Одним из важных мероприятий в реализации противоселевых мероприятий является создание ПСС, способных разрушить структуру селевого потока с гашением энергии селевого вала, уменьшить уклоны селевого русла и не допустить дополнительного обогащения твердой составляющей селевого потока новыми объемами грунтового и каменного материала за счет предотвращения размыва береговых склонов и дна селевого русла. Указанные задачи решает предлагаемая конструкция ПСС следующим образом.
ПСС устанавливается как в непосредственной близости от очага зарождения, так и на транзитном участке и, в отдельных случаях, на конусе выноса. Наиболее предпочтительным местом установки ПСС являются верховья селеносных русел. Основной конструкцией ПСС является металлический жесткий объемно-каркасный элемент, устанавливаемый в селевое русло в произвольной форме, в том числе монтажом на месте, вывалом с автотранспорта, протаскиванием тягачом, сбросом с воздуха с вертолетов. Последнее позволяет их укладывать в практически недоступных участках селевого русла, куда немыслима прокладка автодорог из-за технических трудностей и нарушения ландшафтов, в том числе в особо охраняемых природных территориях, возможной провокации эрозионных процессов в местностях со сложным рельефом и густой сетью разветвленных селевых русел, а также большой стоимости строительства и эксплуатации этих дорог. Использование же вертолетов весьма эффективно решает эту проблему с повышением надежности проводимых противоселевых мероприятий. При этом деформации, получаемые жестким объемно-каркасным элементом при их укладке или сбросе с вертолета, практически не влияют на эффективность их работы.
Жесткий объемно-каркасный элемент укладывают в селевое русло без крепления к последнему под углом к направлению селевого потока.
При подходе селевого вала жесткий объемно-каркасный элемент воспринимает ударную силу всего селевого потока не одномоментно, а растянуто во времени и по частям - дифференцированно, причем не жестко на одном закрепленном месте, а податливо, перемещаясь вдоль селевого русла на какое-то расстояние. При этом верховой конец - передняя часть жесткого объемно-каркасного элемента первоначально принимает на себя воздействие примыкающей к берегу части селевого потока. В это время средняя и нижняя части жесткого объемно-каркасного элемента будут оказывать тормозящее действие, вынуждая последнюю работать на сжатие. В следующий промежуток времени селевой вал будет воздействовать уже на среднюю, а затем и на концевую части жесткого объемно-каркасного элемента, в то время как верховая - передняя часть уже будет оказывать тормозящее воздействие, вынуждая последнюю работать на растяжение. При податливости жесткого объемно-каркасного элемента и некотором перемещении его по руслу от первоначального воздействия, указанный промежуток времени увеличится. Таким образом, ПСС оказывает разрушающее действие на структуру селевого потока, дифференцированно изменяя - снижая скорость потока вдоль селевого вала.
Податливость жесткого объемно-каркасного элемента, заполнение его объема селевыми массами и постоянные зацепки за берега, отдельные каменные глыбы и т.д. благодаря его удлиненности и торчащим в разные стороны штырям - консольным стержням позволяют указанной конструкции несмотря на получаемые деформации прогрессирующе разрушать структуру селя, снижать его скорость и, в конечном счете, остановившись, создать «армированную» запруду из материалов селевого потока. Установка жесткого объемно-каркасного элемента, преимущественно, под углом к направлению селевого потока исключает возможность его обхода («параллельного проскока») селем. При этом снижается уклон селевого русла за счет отложения селевых масс, прекращается размыв дна и берегов селевого русла, что повышает надежность работы ПСС.
Укладка жесткого объемно-каркасного элемента длиной, превышающей ширину селевого русла, а также с торчащими в разные стороны штырями, и укладка его в селевое русло перед его естественным сужением позволяют предлагаемой конструкции быстрее и гарантированней «зацепиться» и застопориться в селевом русле, образовав «армированную» запруду из селевого материала, что повышает надежность работы ПСС.
Использование в качестве жесткого объемно-каркасного элемента бывших в эксплуатации деформированных или бракованных металлических ферм или опор высоковольтных ЛЭП, канатных дорог, мачт телевизионного, осветительного, телефонного оборудования позволяет сократить сроки строительства ПСС с одновременной утилизацией указанных металлических ферм, что повышает надежность проведения противоселевых мероприятий.
Выполнение жесткого объемно-каркасного элемента сборным из отдельных стержней, допускающих их ручную транспортировку и сборку, а также снабжение его монтажным креплением для транспортирования по воздуху позволяют повысить надежность ПСС за счет возможности их установки в недоступных для машин и механизмов участках селевых русел, где с наибольшей эффективностью проявится действие ПСС, а также резко сократить сроки строительства ПСС за счет доставки их к месту установки вертолетами, т.е. повысить надежность за счет более ранней установки ПСС.
Предварительная загрузка грунтовым и каменным материалом жесткого объемно-каркасного элемента, установленного в селевом русле, повышает надежность его работы за счет увеличения веса и предварительного фактического создания запруды, «армированной» металлическим каркасом.
Источники информации
1. Сейнова И.Б., Золотарев И.А. Ледники и сели Приэльбрусья. М., Научный мир, 2001, 203 с.
2. Журавлев Ю.В., Фадеев Н.И. Противоселевое устройство. Патент РФ №1551774, опубл. 23.03.1990.
3. Гавардашвили Г.В. Противоселевое сооружение. Авт. свид. №1242570; БИ №25, 1986.