Influence of the type of fastening of the slope of hydrotechnical structures on the reduction of the cost of their construction

Full Text

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.

About the authors

Andrey A. Mikhasek

Samara State Technical University

Email: andremixas@mail.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Environmental and Hydraulic Engineering Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Maksim V. Rodionov

Samara State Technical University

Email: rodionov_max@mail.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Environmental and Hydraulic Engineering Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Sergey K. Gorbunov

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: sergey-gorbunov-1998@mail.ru

Master’s Degree Student in the field of the Hydraulic Engineering

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

Supplementary files