МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 627.5

ОЦЕНКА РАБОТЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИАПАЗОНА РАЦИОНАЛЬНОГО

ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГАБИОННЫХ

ОТКОСНЫХ КРЕПЛЕНИЙ

 

Р.А. Шогенов – аспирант; З.Г. Ламердонов – к.т.н., доцент

Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная  академия,

г. Нальчик, Россия

 

Дадим оценку конструктивным решениям и адаптированности к морфологии рек новых габионных откосных креплений. Такими конструкциями являются: габионное крепление из параболических цилиндров; габионное крепление из сборных тюфяков.

Крепление откоса  из  полуцилиндрических  габионов и габионов, имеющих форму параболических цилиндров [1], монтируется и работает следующим образом:  на подготовленном основании  укладывается нижний слой сетки путем разматывания рулонов  поперек направлению движения потока. Нижний конец размотанного рулона сетки горизонтален и будет служить фартуком. Длина фартука зависит от глубины размыва. При таком способе укладки, при котором отсутствуют участки, соединенные соединительной проволокой, сетки благодаря цельности  способны выдерживать очень большие нагрузки на растяжение. Эта нагрузка зависит от толщины проволоки и может достигать 5-10 т на погонный метр длины сетки. Сетка укладывается со смещением и  образованием нахлеста. В месте нахлеста  сетки соединяются между собой соединительной проволокой. Соединительная проволока  скручивается  устройством для скручивания проволоки [2], имеющим для этого специальные отверстия, в которые просовываются концы, и далее рычагом скручиваются, тем самым образуется прочное соединение.   На образованный таким образом ковер из сетки укладываются формы,  имеющие форму параболических цилиндров. Парабола, лежащая в основании параболического цилиндра, описывается уравнением

                                                           ,                                                                                                                                                                      (1)

где  – соответственно, абсцисса и ордината параболы, лежащей в основании параболического цилиндра;  – коэффициент.

Найдем величину  коэффициента , зная, что       , и когда

;                     ,

где    – соответственно, ширина и высота габионов,       Отсюда

                                                                                                                        (2)

                                                           .                                                                    (3)

Окончательно получим уравнение

                                                       .                                                                                                                                                    (4)

Загрузочное отверстие  формы, заполняется камнем с образованием слоя камней, имеющего аналогичную форму, после чего она снимается. По верхнему слою камней,  имеющих форму параболических цилиндров, прокладывается верхний слой сетки разматыванием рулонов, который, облегая его, прикрепляется с помощью соединительной проволоки к нижнему слою сетки. Причем ориентация параболических цилиндров может быть как поперечной, так и продольной по отношению к направлению движения водного потока.  Наиболее благоприятной ориентацией при чисто габионном креплении  является поперечная, так как образованные параболические цилиндры при такой ориентации имеют повышенную конструктивную жесткость на сжатие и на изгиб,  поэтому  меньше деформируются и наиболее устойчивы на откосе.

Оптимальной высотой габионов является м. При такой высоте габионов ширина колеблется в пределах м и камни, находящиеся под сеткой, максимально закреплены за счет силы трения камней о боковую поверхность сетки.  Сила трения о боковую поверхность  в этом случае превосходит вес камней, и они не будут выпадать из сетки, если даже  габионы из параболических цилиндров привести в вертикальное положение.

Образованное пространство между соседними параболическими цилиндрами для снижения механической суффозии из-за выноса мелких частиц грунта, лежащего под креплением, может заполняться гравийной засыпкой. Для упрочнения связи между соседними параболическими габионами и одновременно, снижая механическую суффозию, это пространство может частично заполняться бетоном. В случае, когда есть необходимость полной защиты сетки от истирания, пространство между соседними габионами полностью заполняется бетоном. При полном заполнении пространства между параболическими цилиндрами бетоном предусматриваются конструктивно-деформационные швы. В случае необходимости усиления прочности и инертности крепления при больших нагрузках на крепление  по слою из параболических цилиндров может укладываться второй слой габионов  из  параболических цилиндров, который прикрепляется соединительной проволокой к гребням нижнего слоя. Гребни второго слоя габионов сдвинуты относительно гребней нижнего слоя габионов. 

Возможны варианты комбинирования, когда заглубленная часть крепления, которая подвержена нагрузкам от действия наносов, забетонирована, а верхняя часть – чисто габионное крепление из параболических цилиндров. Глубина заделки основания может определяться по формуле

                                                       ,                                                                                                                                                              (5)

где  – глубина воронки размыва; R – гидравлический радиус воронки размыва, определяемый в зависимости от значения , функционально связанного с допускаемыми скоростями для грунта русла v в форме

                                                      .                                                                                                                                                      (6)                                                                                           

А, С – коэффициенты, зависящие от заложения откоса m  и отношения  ,   где d, D – средний и максимальный диметры наносов или грунта, слагающего русло в створе сооружения;    ho, vo – средняя глубина и скорость потока в бытовых условиях.

Коэффициент b зависит от длины отклонения, вызванной дамбой и при вертикальных откосах рекомендуется определять по формуле

                                                    ,                                                                                                                                                                 (7)

где  – длина отклонения потока.

 

Крепления из полуцилиндрических габионов построены в настоящее время в КБР на р. Черек по защите с. Псынабо.

По результатам экспериментальных данных габионных  креплений после обработки по методике, предложенной Ламердоновым З.Г., получено уравнение регрессии, которое адекватно описывает изучаемое явление в пределах факторного пространства и  имеет вид

                                      (8)

С использованием диссоциативно-шагового метода  определяем наибольшее и наименьшее значения функции в факторном пространстве:

;

Расчет однофакторных моделей в зоне максимума  дает следующие уравнения:

;   ;

;     .

В зоне минимума данный расчет дает следующие уравнения:

;   ;

;   .

Ранжирование факторов по степени влияния на выходную функцию было произведено по максимальному перепаду в однофакторных моделях, получаемых при стабилизации основных параметров в зоне максимума. Результаты ранжирования сведены в табл. 1.

Таблица  1

Ранжирование факторов в зоне max и min

 

Значение DПi

Степень влияния факторов при их

ранжировании

Х1

Х2

Х3

Х4

-5,239

5,618

-1,2

-6,627

>>>, max

-3,366

1,175

-1,816

-2,942

 >>>, min

 

В результате  обработки экспериментальных данных получено, что основными факторами, влияющими на  величину интегрального показателя  у габионного  крепления из параболических цилиндров, является параметр кинетичности потока  и продолжительность  паводкового периода потока . Заметное влияние на величину интегрального показателя  оказывает и показатель Лохтина .

Напишем уравнение параметра оптимизации в зонах максимум и минимум, относительно двух факторов: параметра кинетичности потока и  фактора, имеющего наибольший ранг:

               ;                                       (9)

                 .          (10)

Поверхности отклика, построенные по уравнениям (9), (10), показаны на рис. 1.

Габионное крепление из сборных тюфяков по своим техническим характеристикам аналогично предыдущему.  На подготовленном основании  укладываются предварительно изготовленные габионные тюфяки  с продольной или поперечной ориентацией направлению движения потока, которые соединяются друг с другом по периметру соединительной проволокой. Габионное крепление на откосе анкерутся анкерами длиной 1-1,5 м. Если откос  имеет криволинейную форму с вогнутостью, то желательно габионые тюфяки  укладывать с продольной ориентацией направлению движения потока, так как в этом случае габионное крепление  будет лучше прилегать к откосу. Внизу габионного крепления предусмотрен фартук. Длина фартука зависит от глубины размыва. Наиболее благоприятной ориентацией при плоском откосе является поперечная ориентация  направлению движения потока, так как образованные эллиптические цилиндры при такой ориентации имеют повышенную конструктивную жесткость на сжатие и на изгиб,  поэтому  меньше деформируются в процессе эксплуатации  и наиболее устойчивы на откосе.

 

Подпись:         

а)

           

б)

 

Рис. 1. Габионное крепление из параболических цилиндров:

а) поверхности отклика в зоне максимума; б) поверхности отклика в зоне минимума

 

Наиболее благоприятной высотой габионов является м. При такой высоте габионов ширина колеблется в пределах м и камни, находящиеся под сеткой,  максимально закреплены за счет силы трения камней о боковую поверхность сетки.  Сила трения о боковую поверхность  в этом случае превосходит вес камней, и они не будут выпадать из сетки, если даже  габионы из эллиптических цилиндров привести в вертикальное положение.

Габионные тюфяки  изготавливаются предварительно, для этого в форму  укладывается сетка,  имеющая  прямоугольную  или  квадратную  форму, и  размеры которой 0,7-1,3 м. Далее на сетку накладываются камни, имеющие форму эллиптических цилиндров. Сверху на камни  накладывается сетка, которая соединяется с нижней сеткой по периметру и линиям соприкосновения соединительной проволокой.  Таким образом тюфяки представляют собой соединение двух сеток – верхней и нижней – с прямолинейной прошивкой между соседними эллипсами.  Соединительная проволока скручивается  устройством для скручивания проволоки.  

Эллипс,  лежащий в основании эллиптического цилиндра описывается уравнением

                                                     ,                                                                                                                                                  (11)

где  – соответственно, абсцисса и ордината точек, лежащих в основании  эллиптического цилиндра;  – соответственно, ширина и высота габионов,  

Эллиптическая форма является наиболее благоприятной, так как является практически неизменяемой и в случае, когда ширина и высота габионов равны, в основании цилиндров лежит окружность. Окружность  будет описываться уравнением

                                                  ,                                                                                                                                                   (12)

где – соответственно, абсцисса и ордината параболы, лежащей в основании параболического цилиндра;  – высота габионов.

Для исключения механической  суффозии в процессе эксплуатации габионного крепления  на откосе  устраивается гравийная подготовка, толщина которой   hп > hг /2,  где  hп – высота слоя гравийной подготовки; hг – высота габионов. При такой толщине образованное пространство между соседними эллиптическими цилиндрами заполняется гравием, что предотвращает механическую суффозию.

По результатам экспериментальных данных габионных креплений из сборных тюфяков после обработки получено уравнение регрессии, которое адекватно описывает изучаемое явление в пределах факторного пространства и  имеет вид

                                             (13)

С использованием диссоциативно-шагового метода  определяем наибольшее и наименьшее значения функции в факторном пространстве:

;

 

Расчет однофакторных моделей в зоне максимума  дает следующие уравнения:

;          ;

;   .

В зоне минимума данный расчет дает следующие уравнения:

;   ;

;     .

 

 

 

       

а)

          

б)

 

 

Рис. 2. Габионное крепление из сборных тюфяков  № 9:

а) поверхности отклика в зоне максимума; б) поверхности отклика в зоне минимума

 

 

Ранжирование факторов по степени влияния на выходную функцию было произведено по максимальному перепаду в однофакторных моделях, получаемых при стабилизации основных параметров в зоне максимума. Результаты ранжирования сведены в табл. 2.

Таблица 2

Ранжирование факторов в зоне max и min

 

Значение DПi

Степень влияния факторов при их

ранжировании

Х1

Х2

Х3

Х4

-7,251

7,318

-5,502

-9,750

>>>, max

-1,693

0,904

-0,298

-2,509

 >>>, min

 

В результате  обработки экспериментальных данных получено, что основными факторами, влияющими на  величину интегрального показателя  у габионного  крепления из параболических цилиндров, является продолжительность  паводкового периода потока . Заметное влияние на величину интегрального показателя  оказывает параметр кинетичности потока .

Напишем уравнение параметра оптимизации в зонах максимум и минимум относительно двух факторов: параметра кинетичности потока и  фактора, имеющего наибольший ранг:

               .                 (13)

              .                   (14)

                                                                                                               

Поверхности отклика, построенные по уравнениям (13) и (14),  показаны на рис 2.

 

Библиографический список

 

1.  Ламердонов З.Г. Гибкие берегозащитные сооружения, адаптированные к морфологическим условиям рек. (Монография). – Нальчик КБГСХА, 2004. 151 с.

2.  Патент Российской Федерации №2249651 МКИ Е 02 В 3/12, Способ возведения габионного крепления. / Ламердонов З.Г., Дышеков А.Х., Бекалдиев  Р.Р., Шахмурзов М.М.; Заяв.   08.01.2003; опубл. 10.04.2005, Бюл. №10.

3.  Ламердонов З.Г. , Дышеков А.Х., Шогенов Р.А. Способы борьбы с размывами основания дамб.  //Мелиорация и водное хозяйство. 2003. №4. С. 19-21.

4.  Ламердонов З.Г., Хаширова Т.Ю., Дышеков А.Х.. Методические основы проектирования берегозащитных сооружений с учетом морфологических условий рек. //Мелиорация и водное хозяйство. 2004. № 1.  С. 26-28.

5.  Патент Российской Федерации №2249650 МКИ Е 02 В 3/06, 3/12, Комбинированная подпорная стенка. /Ламердонов З.Г., Дышеков А.Х., Шахмурзов М.М.,Хаширова Т.Ю.,  Шогенов Р.А., Камботов В.З; Заяв.     18.11.2002; опубл. 10.04.2005, Бюл. № 10.

6.  Патент Российской Федерации №2249071 МКИ Е 02 В 3/06, Габионная подпорная стенка. /Ламердонов З.Г., Дышеков А.Х., Шахмурзов М.М., Хаширова Т.Ю., Шогенов Р.А., Камботов В.З; Заяв.  18.11.2002; опубл. 27.03.2005, Бюл. № 9.