Влияние типа крепления откоса гидротехнических сооружений на снижение стоимости их строительства

Полный текст

Отечественная и зарубежная строительные отрасли накопили значительный опыт в области крепления откосов гидротехнических сооружений в условиях волновых воздействий [1, 2]. Современные типы креплений откосов гидротехнических сооружений могут изготавливаться как серийно, так и на строительной площадке. Наиболее распространёнными типами креплений являются железобетонные плиты, габионные конструкции, а в последние десять лет широкое распространение получили бетононаполняемые маты типа Incomat Flex (рис. 1).

 

Рис. 1. Схемы конструктивных решений крепления откоса, принятых к рассмотрению: а – плита из железобетона; б – бетононаполняемый мат типа Incomat Flex; в – матрац габионной системы; г – плита из крупнопористого бетона

 

На основе анализа современных решений предложена новая конструкция крепления [3] – плита из крупнопористого бетона (КПБ), проливаемая битумом (рис. 1 и 2).

 

Рис. 2. Экспериментальный образец плиты из крупнопористого бетона, пролитого битумом

 

Любой вид строительства, в том числе и гидротехническое, ограничен финансовыми и временными ресурсами. В связи с этим выбор надежной, но в то же время экономичной конструкции крепления является актуальной задачей. Настоящая работа посвящена оценке влияния различных типов крепления откоса гидротехнических сооружений на стоимость их строительства. При выполнении технико-экономического обоснования предложено учитывать не только удельные показатели стоимости строительства, но и влияние изменений границ крепления откоса.

Работа выполнена на основании как теоретических методов исследования с использованием эмпирических данных [4–6], так и с учетом экспериментальных данных, полученных авторами в лаборатории кафедры природоохранного и гидротехнического строительства Самарского государственного технического университета [7].

В основе экономического сравнения типов креплений грунтовых откосов лежит критерий обеспечения минимума затрат на возведение сооружения:

Э_ф = З → min, (1)

где З – затраты на устройство крепления, которые в свою очередь определяются следующим образом:

З = З_V + З_М, (2)

где З_v – затраты от объемов выполняемых работ, руб.;

З_м – затраты на строительные материалы, руб.

На величину затрат в первую очередь значительно влияют границы крепления. Так, изменение типа крепления влияет в основном на отметку верха крепления, потому что отметка низа от него не зависит. Согласно СП 38.13330.2018 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов», данная отметка определяется суммой значений максимального уровня воды и превышения (возвышения) над ним, исключающих перелив через верх крепления. Превышение верха крепления определяется суммой значений ветрового нагона, высоты наката волн на откос и конструктивного запаса.

Проанализировав расчеты, выполненные авторами по объектам берегоукрепления, установлено, что наиболее значимым параметром является высота наката волн на откос, которая определяется по СП 38.13330.2018:

h_run = k_r × k_p × k_sp × k_run × k_i × k_α × h_1%. (3)

Ключевыми параметрами в данном расчете, помимо высоты волны, являются коэффициенты шероховатости k_r и проницаемости k_p крепления откоса. Необходимо обратить внимание, что коэффициенты шероховатости и проницаемости зависят от типа крепления и определяются в зависимости от значений относительной шероховатости поверхности крепления. В свою очередь относительная шероховатость поверхности принимается в соответствии со значением отношения характерного размера шероховатости крепления к высоте волны 1 %-й обеспеченности (СП 38.13330.2018).

Кроме того, затраты определяются толщиной крепления, которая зависит от выбранного типа крепления. Для определения толщины железобетонных плит и крупнопористого бетона использовалась формула СН 288-64 (СП 39.13330.2012 «Плотины из грунтовых материалов» ROCK fill dams. Актуализированная редакция СНиП 2.06.05-84*), для габионных конструкций – рекомендации ВСН-АПК 2.30.05.001-2003 [8], а бетононаполняемых матов типа Incomat Flex согласно [9].

На основании анализа теоретической части было выявлено, что затраты на материалы и виды работ зависят, с одной стороны, от геометрических параметров крепления, а с другой – от типа материала крепления, его объема и технологии укладки.

Для сравнения типов креплений в качестве натурного объекта был выбран напорный откос грунтовой плотины Кутулукского водохранилища Богатовского района Самарской области [10]. Данный объект уже рассматривался ранее [7] для обоснования крепления с использованием бетононаполняемых матов, где была предложена методика исследования влияния геометрической формы бетононаполняемых матов типа Incomat Flex на коэффициент шероховатости k_r. Проведенные аналогичные исследования по определению величины k_r для крупнопористого бетона на заполнителе фр. 5-20 мм показали, что он составляет 0,73.

Кутулукское водохранилище имеет следующие параметры: ФПУ – 68,77 мБС, НПУ – 67,50 мБС; глубина воды – 15,3 м; скорость ветра – 20 м/с; длина разгона – 8270 м; угол между продольной осью водоема и направлением ветра – 85°; заложение откоса – 1:2,5 (22˚); длина волны – 12,7 м.

В результате расчета отметки верха крепления по методикам, изложенным в СП 38.13330.2018 и СП 39.13330.2012, для разных видов крепления откоса были получены следующие значения:

– железобетонные плиты – 70,200 мБС;

– бетононаполняемые маты – 69,95 мБС;

– плиты из крупнопористого бетона и габионные конструкции – 68,70 мБС.

В соответствии с методиками, изложенными в теоретической части работы, были определены толщины крепления при высоте волны 1,05 м:

– железобетонные плиты – 0,17 м;

– крупнопористый бетон – 0,32 м;

– бетононаполняемые маты – 0,17 м;

– габионные крепления – 0,17 м.

Результаты определения объемов работ и расчет их стоимостей [11-16] для рассматриваемых типов креплений произведены на один квадратный метр и представлены в табл. 1–4.

 

Таблица 1. Затраты на устройство крепления из железобетона (в ценах 2001 г.)

Материал	Обоснование	Ед. изм.	Кол-во	Стоимость, руб.
				материалов	работ
Геотекстиль	[16] 27-04-016-05	м²	1	12.48	1.47
Щебень	[16] 42-01-001-01	м³	0.15	0.07	0.52
Бетон	[16] 06-01-001-01, калькуляция	м³	0.17	124.61	99.59
Арматура	[16] 37-01-030-02	т	0.007	40.28	2.30
Опалубка	[16] 37-01-022-03	м²	0.034	34.35	30.99
Устройство деформационных швов	[16] 42-01-015-03	п.м	1	49.49	61.10
Транспортные расходы					261.29
Итого				718.57

 

Таблица 2. Затраты на устройство крепления с применением бетононаполняемых матов (в ценах 2001 г.)

Материал	Обоснование	Ед. изм.	Кол-во	Стоимость, руб.
				материалов	работ
Геотекстиль	[16] 27-04-016-05	м²	1	12.48	1.47
Бетон	[16] 06-01-001-01, калькуляция	м³	0.17	130.84	99.59
Бетононаполняемый мат	Прайс	м²	1.15	162.95	1.7
Транспортные расходы					306.27
Итого				715.30

 

Таблица 3. Затраты на устройство крепления с применением габионных конструкций (в ценах 2001 г.)

Материал	Обоснование	Ед. изм.	Кол-во	Стоимость, руб.
				материалов	работ
Геотекстиль	[16] 27-04-016-05	м²	1	12.48	1.47
Щебень	[16] 42-01-001-01	м³	0.1	0.05	0.35
Устройство габионов	[16] 30-08-048-01	м²	1	266.53	168.69
Транспортные расходы					279.06
Итого				728.63

 

Таблица 4. Затраты на устройство крепления из крупнопористого бетона (в ценах 2001 г.)

Материал	Обоснование	Ед. изм.	Кол-во	Стоимость, руб.
				материалов	работ
Геотекстиль	[16] 27-04-016-05	м²	1	12.48	1.47
Бетон	[16] 06-01-001-01, калькуляция	м³	0.32	199.39	123.20
Бетон из отходов	[16] 06-01-001-01, калькуляция	м³	0.32	74.14	123.20
Укладка битума	[16] 27-06-026-01	кг	82.56	122.58	3.13
Опалубка	[16] 37-01-022-03	м²	0.064	64.67	58.34
Транспортные расходы					260
Итого КПБ без битума				896.17
Итого КПБ с битумом				957.95
Итого КПБ из отходов с битумом				707.45

 

Таким образом, при средней высоте рассматриваемой плотины в 9,0 м [10] снижение стоимости крепления в сравнении с железобетонными плитами для бетононаполняемых матов с учетом длины крепления составит 0,37 %, по объему грунта – 11,1 %, для плит крепления из крупнопористого бетона и габионных конструкций значения равны и соответствуют 16,6 и 27,44 %.

Выводы. 1. Выбор надежной, но в то же время экономичной конструкции крепления является актуальной задачей. В настоящее время этим требованиям соответствуют следующие строительные системы: железобетонные плиты, габионные конструкции, а в последние десять лет широкое распространение получили бетононаполняемые маты типа Incomat Flex.

2. В качестве конкурентоспособного варианта предложена конструкция с использованием плит из крупнопористого бетона.
3. Толщины крепления зависят от типа материала крепления и при высоте волны 1,05 м могут быть рекомендованы в пределах: для железобетонных плит – 0,17 м, крупнопористого бетона – 0,32 м, бетононаполняемых матов – 0,17 м; габионных креплений – 0,17 м.
4. Затраты на материалы и виды работ зависят, с одной стороны, от геометрических параметров крепления, а с другой – типа материала крепления, его объема и технологии укладки.
5. Для бетононаполняемых матов экономия по длине крепления по сравнению с гладкими бетонными плитами составит 0,37 %, по объему грунта – 11,1 %, для плит крепления из крупнопористого бетона или габионных конструкций значения равны и соответствуют 16,6 и 27,44 %.
6. По затратам на материалы стоимость крепления из крупнопористого бетона, выполненного из отходов, является наименее затратной – 707,45 руб. на 1 м² в ценах 2001 г. Использование бетононаполняемых матов обладает существенным преимуществом, а именно такая технология предусматривает их укладку непосредственно в воду, что при сравнении вариантов не учитывалось.

Об авторах

Андрей Александрович Михасек

Самарский государственный технический университет

Email: andremixas@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры природоохранного и гидротехнического строительства

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Максим Владимирович Родионов

Самарский государственный технический университет

Email: rodionov_max@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры природоохранного и гидротехнического строительства

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Сергей Константинович Горбунов

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sergey-gorbunov-1998@mail.ru

магистрант 2 курса по направлению «Гидротехническое строительство»

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы