Испытание свайного (проницаемого) волноломаиз композитного материала для берегоукрепления. Часть 1. Условия установки и оценка устойчивости

Полный текст

Введение

Концепция берегозащиты побережья Калининградской области [1] предполагает применение нескольких методов укрепления береговой линии, а также их апробацию перед внедрением. При строительстве берегозащитных сооружений применяются современные материалы на основе натуральных или искусственных полимеров, например геосинтетика [2, 3], которые придают грунту или строительным материалам бóльшую надежность [4]. Именно таким материалом является стеклобазальтопластик [5], из которого выполнен волнолом вида «Гребенка», рассматриваемый в статье.

В работе [6] показано, что в случае установки волнолома длиной 300 м на расстоянии 250 м от берега наблюдались прирост пляжа и выдвижение береговой линии до 40 м за год.

Практика и правила применения волноломов для целей защиты берега регламентируются СП 277.1325800.2016 ¹⁾. В работе [7] показано, что эффективность проницаемых сооружений зависит от отношения площади отверстий к общей площади конструкции.

В настоящей работе рассматривается натурный эксперимент, в ходе которого оценивали возможность использования волноломов вида «Гребенка». Предполагается, что такие волноломы оказывают необходимый волногасящий эффект, устойчивы к сильному штормовому воздействию, безопасны для людей и окружающей среды. Кроме того, волноломы «Гребенка» значительно превосходят бетонные и деревянные волноломы по техническим характеристикам [8]. Участок, на котором проводился эксперимент, расположен в Юго-Восточной Балтике на северном побережье Самбийского полуострова (Калининградская область, Российская Федерация) к западу от г. Зеленоградска (рис. 1, а).

Целью статьи является анализ результатов натурного эксперимента, оценка устойчивости волнолома «Гребенка» к деструктивным воздействиям окружающей среды и формулирование рекомендаций по совершенствованию технологии его установки.

Данная статья является первой частью описания результатов эксперимента и посвящена вопросам технологии установки волнолома, его устойчивости к естественным штормовым нагрузкам и другим воздействиям. Результаты анализа данных о влиянии волнолома на берег, собранных в ходе эксперимента, достаточно обширны и будут представлены во второй части.

Материалы и методы исследований

Волнолом «Гребенка» в составе пяти модулей был установлен (рис. 1, b, c), напротив последнего межбунного кармана на восточной оконечности участка со старыми, частично разрушенными бунами (рис. 1, c). Глубины на экспериментальном участке составляли от 1.2 м у берега до более чем 2.5 м в точке установки модулей. По разным оценкам глубина замыкания для этого района находится в пределах от 7.5 м [9] до 8.4 м [10]. Согласно данным исследования [11], зона обрушения волн в районе установки волнолома начинается на удалении более чем 200 м от уреза.

В отличие от традиционных сквозных свайных волноломов ²⁾ особенностью конструкции волнолома «Гребенка» является использование труб (полых свай) разного диаметра. Трубы сделаны из стеклобазальтопластика – устойчивого к коррозии композитного материала, который уже нашел широкое применение во многих областях строительства [5]. Основные преимущества стеклобазальтопластика, а также результаты испытаний набора труб в волновом лотке подробно представлены в [8].

 

Рис. 1. Место проведения эксперимента: а – Балтийское море; b – северное побережье Самбийского полуострова, Калининградская область; c – участок берега, примыкающий с запада к городскому пляжу города Зеленоградска (слева направо указаны старые буны в виде черточек на линии уреза, волнолом в море (он и четыре старые буны выделены прямоугольником), далее – группа новых бун и выдающийся в море мол)

Fig. 1. Place of the experiment: a – the Baltic Sea; b – the northern shore of the Sambia Peninsula, Kaliningrad Oblast’; c – a section of the shore adjacent from the west to the Zelenogradsk city beach. From left to right: old groins (dashes on the shore line), a breakwater in the sea (the breakwater and four old groins are highlighted by a rectangle), a group of new groins and a pier protruding into the sea

 

Была выбрана модульная конструкция волнолома ³⁾ с максимальной длиной одного модуля 12 м (исходя из возможностей транспортировки материалов к месту установки) и шириной 3 м. Модуль волнолома (рис. 2) состоял из базы-решетки (три горизонтальных ряда параллельных базовых труб длиной 12 м и диаметром 0.5 м и дополнительной трубы на расстоянии 0.5 м, соединенных поперечными трубами длиной 3 м диаметром 0.25 м), которая служит устанавливаемым на дно основанием. Все трубы основания заполнялись бетоном. Вертикально установленные трубы-сваи диаметром 0.2 и 0.1 м вставлялись в основные трубы базы-решетки и образовывали гребенку из трех рядов – аналог свайного ряда. На трех модулях высота вертикальных труб была 3 м, а на двух модулях (4 и 5) – 2.5 м. Дополнительная горизонтальная труба (расположенная мористее) в основании была без свай и играла роль балластной трубы (видна на рис. 2, а) для повышения устойчивости модуля к сдвигу и опрокидыванию. Вес модуля после заполнения горизонтальных труб основания бетоном составил около 28 т. Модули устанавливали в линию параллельно урезу.

Для наиболее эффективного волногашения сквозность ряда вертикальных труб должна быть не более 30–40 % предпочтительно с уменьшением сквозности от ряда к ряду в сторону берега (согласно рекомендации АО ЦНИИС).

Наиболее эффективная схема (из опробованных в НИЦ «Морские берега») имела сквозность 30–20–10 %. Для испытания стойкости вертикальных рядов к штормовому воздействию сквозность конструкции была взята 40–30–20 %. Коэффициент отражения, рассчитанный путем испытаний в волновом лотке, составлял 0.2 [8]. 

 

Рис. 2. Модуль (с понтонами) на берегу (а), линейка модулей (1–4) и ряд установочных стапелей в мае 2021 г. (b)

Fig. 2. The module (with pontoons) on the shore (a), a line of modules (1–4) and a number of installation slips in May 2021 (b)

 

С точки зрения функционального применения волногасящее свайное сооружение «Гребенка» можно считать разновидностью волнолома сквозной конструкции или волногасящей проницаемой стенки.

Традиционно свайные волноломы и другие свайные оградительные конструкции – это сооружения на сваях, которые вдавлены, вбиты, вкручены в неразмываемый плотный грунт, что не соответствует технологии монтажа «Гребенки». С другой стороны, в приложении А СП 24.13330.2021 упоминается свая-стойка, передающая нагрузку на основание только через пяту (в случае с «Гребенкой» этой пятой является база-решетка конструкции). Исследуемая конструкция содержит также элементы свайного волнолома, упоминаемые в СП 277.1325800.2016 «Сооружения морские берегозащитные. Правила проектирования». Новыми в конструкции волнолома «Гребенка» по сравнению с традиционными волноломами сквозной конструкции являются композитный футляр, модульность и мобильность сборки и установки.

В указанном СП 277.1325800.2016 для песчаных пляжей рекомендовано устанавливать подводные волноломы на расстоянии не менее 100 м от уреза. Учитывая, что испытываемый волнолом проницаемый, разработчики приняли решение об уменьшении этого расстояния.

При общей длине линейки модулей 60 м и расстоянии от берега 75–80 м отношение длины сооружения к его удалению от уреза было в пределах 0.75–0.8, что могло привести либо к накоплению материала и выдвижению уреза в сторону сооружения, либо даже к возникновению томболо.

Модули собирали из готовых комплектов, затем основание заливали бетоном на берегу. Вертикальные трубы-сваи фиксировали в трубах основания одновременно с заливкой бетона. Сборка пяти модулей заняла два дня, кроме того, 3–4 дня бетон застывал и набирал транспортную прочность.

Спуск на воду и транспортировку модулей в море осуществляли с помощью надувных понтонов (рис. 2, a, b) грузоподъемностью по 8 т (по 4 шт. на модуль). С моря модули с понтонами подтягивали с катера по сборно-разборным стапелям (рис. 2, c) длиной 33 м.

Модули были установлены на дно без подготовки постели-основания. Модуль 5 был поставлен на глубине 1.5 м на расстоянии 35 м от уреза воды на уровне середины видимой части самой восточной из разрушенных старых бун. Остальные четыре модуля (1–4) – на глубине 2.5 м на расстоянии 75–80 м от уреза (в линию с небольшим изгибом, расстояние между модулями 1.5–2 м (рис. 3)). Модуль 5 был установлен за один день в октябре 2020 г., остальные четыре модуля – за два дня в мае 2021 г.

После установки модуль 5 (трубы-сваи высотой 2.5 м) выступал над водой на 1 м, модули 1–3 (трубы-сваи высотой 3 м) – на 0.5 м. Модуль 4 (трубы-сваи высотой 2.5 м) почти не выступал из воды, верхушки свай находились в приповерхностном слое.

Испытания волнолома «Гребенка» проводились с 03.10.2021 по 30.04.2023. Экспедиционные обследования проводились изготовителями (ООО «Торговый дом «Базальтовые трубы»), сотрудниками Атлантического отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Балтийского федерального университета им. И. Канта и ГБУ КО «Балтберегозащита».

Изменения в расположении и характеристиках модулей фиксировали в ходе визуального и тактильного осмотров и фотосъемки, позволявших оценить степень механического повреждения и коррозии, а также степень погруженности основания модулей в песок, их положение относительно уровня моря. Фотосъемку с берега производили 2–4 раза в месяц на протяжении всего эксперимента.

Для оценки изменения положения модулей волнолома были использованы спутниковые снимки открытых источников Google и Яндекс, как и в работе [3]. Для получения привязки спутниковых изображений использовали координаты стационарных опорных точек на местности. Точность привязки координат модулей была улучшена благодаря геопривязке с помощью GPS. Итоговая погрешность составила до 2.7 м.

Аэровизуальные наблюдения с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА – DJI Mini2) производили в 2022 г. в осенне-летний период и в 2023 г. в зимне-весенний период. Предельная высота полетов составляла 120 м с учетом необходимых мер безопасности и требований полетных регламентов. Аналогичные примеры аэровизуального наблюдения представлены для Черного и Азовского морей в работе [12], для Цимлянского водохранилища – в работе [13], для рек Ямало-Ненецкого автономного округа – в работе [14].

Подводная фотосъемка сооружений с использованием экшн-фотокамеры SJCAM 5000 проведена 07.09.2022 и 12.04.2023. Фотографии каждого модуля конструкции сделаны с расстояния около 1 м, обход сооружения проводили по часовой стрелке от западного мористого угла или западной стороны модуля. На снимки, на которых было видно дно, наносили шкалу глубин от дна до поверхности.

Результаты и их обсуждение

На момент изучения основных морфологических параметров в летний сезон 2022 г. расположение модулей волнолома «Гребенка» стало относительно стабильным. Использованный композитный материал доказал свою прочность в условиях штормового воздействия. Волнолом «Гребенка» успешно выдержал ледовые нагрузки зимой 2020–2021 гг.

Серия сильных штормов в зимние периоды 2020–2021 гг. нарушила линейное расположение модулей 1–4 (рис. 3): три модуля из пяти были сдвинуты или повернуты. Со второго года эксперимента нарушенная линейка модулей выступала как разрозненный набор модулей и не обеспечивала ожидаемого эффекта волногашения.

Фотографирование подводной части модулей волнолома и измерения позволили получить представление о степени погруженности основания модулей в песок, наклоне конструкций, а также об их сохранности и обрастании водорослями.

Наиболее полное обследование конструкций произведено 07.09.2022 (рис. 3–5). Модуль 1 возвышался над дном на 1.5 м, не был разрушен или опрокинут, был почти полностью покрыт водой, хотя при постановке он возвышался над уровнем воды на 0.5 м; верхние 2/3 не занесенной песком части свай обросли нитчатыми водорослями. Сегмент 2а модуля 2 возвышался над дном на 1 м, был наклонен в сторону берега в западном направлении и полностью покрыт водой. Вся видимая часть свай обросла водорослями. Глубина в месте расположения модуля 3 была 1.2 м. Он не был разрушен или опрокинут. Часть свай возвышалась над водой на 0.1–0.3 м. Сваи обросли водорослями по всей длине подводной части. Модуль 4 возвышался над дном на высоту до 0.5 м, был наклонен в западном направлении и полностью покрыт водой. Западная часть модуля почти полностью была скрыта в песке, обрастание водорослями – только в верхней восточной, не занесенной песком части до 1/3 высоты. По рис. 3, b создается впечатление, что он разломан на две части поперек основания, так как его восточная треть явно выбивается из единой линии первых двух третей. 

 

Рис. 3. Первоначальное и окончательное расположение модулей волнолома «Гребенка»: а – исходное (красные линии) и итоговое (голубые линии) расположение модулей (снимок Google Maps, 2021 г. URL: https://www.google.ru/maps); b – расположение модулей волнолома «Гребенка» на 12.04.2023 г.

Fig. 3. Initial and final location of the “Grebenka” breakwater modules: a – initial (red lines) and final (blue lines) location of the modules (Google Maps image, 2021. https://www.google.ru/maps); b – location of the “Grebenka” breakwater modules on 12 April 2023

 

Повторная съемка всех модулей с БПЛА была выполнена 12.04.2023 (рис. 3, b). Во время этой съемки был обнаружен обнажившийся модуль 2, который не был виден при съемке с БПЛА 07.09.2022, так как находился под слоем песка подводного вала. Верхние концы вертикальных свай возвышались над дном на 0.4–1.0 м и имели наклон в сторону моря. Модуль 2 оказался разломленным на две части. Разделение модуля на несколько частей не должно было произойти при соблюдении технологии сборки конструкции. Причину этого окончательно предстоит выявить при демонтаже модуля. Наиболее вероятно, что оставшиеся не залитыми бетоном соединительные поперечные трубы базы-решетки модуля попали на неровную часть дна под песчаным слоем, что привело к разлому при размыве песка.

Обрастание водорослями у свай модуля 2 отсутствовало, поскольку он большую часть времени был скрыт песчаным подводным валом. Тот факт, что он оголился и был замечен на съемке 12.04.2023, является следствием деформации берегового вала и увеличения глубин в точке расположения модуля.

На рис. 3 темный цвет свай связан с их обрастанием водорослями (кроме модуля 2 (рис. 3, b), который целиком находился под песком); отделившаяся от модуля 2 часть 2а не была замыта полностью, поэтому ее сваи частично обросли водорослями.

Верхние части свай всех модулей (находящиеся в воде) были покрыты водорослями, что свидетельствует об определенной «дружественности» стеклобазальтопластика к биоте и его способности быть основой подводного рифа. Если нижняя часть свай была свободна от растительности, то это означало, что она находилась под песком в вегетационный период до момента обследования. Во время повторной съемки 12.04.2023 зафиксировано увеличение нижней оголенной части всех модулей, что свидетельствует о частичном смыве песка с подводного склона.

При выборе места установки волнолома не было учтено, что точка установки волнолома оказалась в зоне влияния протяженного вдольберегового песчаного вала и воздействия сразу нескольких типов течений. Именно миграция подводного вала обеспечила занесение основания всех модулей песком.

Перед установкой модулей волнолома «Гребенка» не были проведены необходимые инженерные изыскания участка дна, в частности не была установлена высота песчаного слоя над уплотненным дном. Модули были не только занесены, но и просели на 0.5 м и более (рис. 5). Во избежание такого опускания необходимо ставить модули на твердое дно. Этого можно достичь, например, путем размыва песка в месте установки до моренного основания, что значительно дешевле, чем приготовление каменной постели под стационарными камнебетонными волноломами. 

Предполагалось, что погружение волнолома в песок усилит устойчивость модулей к сдвигу при штормовом воздействии. В первый год эксперимента наблюдалась именно такая динамика, но затем при более сильных штормах модули наклонились.

 

Рис. 4. Состояние модулей волнолома «Гребенка»: а – обрастание водорослями до дна и наклон конструкции (съемка 07.09.2022); b – послештормовое обнажение от песка части волногасящих свай (съемка 12.04.2023 г.)

Fig. 4. State of the “Grebenka” breakwater modules: a – algae fouling and tilt of the structure (survey on 7 September 2022); b – post-storm partial exposure of the wave-damping piles from under sand (survey on April 12, 2023)

 

Рис. 5. Схематичное начальное положение модулей (1–5) при установке в мае 2021 в пространстве (а) и их итоговое положение во время обследования 07.09.2022 г. (b). Светло-серым цветом выделены части, подвергшиеся обрастанию водорослями. Схема отображает погружение в песок и занесение песком того или иного модуля, отклонения от вертикальной оси, изменение высоты надводной части

Fig. 5. Schematic initial position of the modules (1–5) during installation in May 2021 (a) and their final position during the survey on 07.09.2022 (b). The parts fouled with algae are highlighted in light gray. The diagram shows the subsidence of modules and their sanding up, deviations from the vertical axis, and changes in the height of the surface part

 

Поскольку длина штормовых волн составляла 120–140 м, конструкция из четырех модулей, выставленных вдоль одной линии, обеспечивала лишь минимально допустимое соотношение длины волногасящего сооружения к длине волны, то есть примерно 1:2. Изначально организаторы эксперимента понимали, что локальное воздействие сооружения могло проявиться только в пределах перекрытого сооружением межбунного кармана. В настоящий момент, по результатам проведения эксперимента, организаторы признают, что была совершена ошибка в расположении конструкции – при ее небольшой длине она была слишком удалена от уреза. Этот опыт нужно будет учесть в дальнейшем при использовании подобных сооружений.

Модули желательно ориентировать так, чтобы дополнительная горизонтальная труба в основании находилась с береговой стороны, обеспечивая опору против волнового воздействия и препятствуя опрокидыванию. В данной постановке модули были ориентированы наоборот.

Выводы

В ходе натурных испытаний волнолома «Гребенка» (волнолома сквозной конструкции, или волногасящей проницаемой стенки) на северном побережье Самбийского полуострова (Балтийское море, Калининградская область) были установлены пять 12-метровых модулей. Была отработана технология сборки модулей на берегу, их транспортировка и погружение на дно. На протяжении полутора лет (03.10.2021–30.04.2023) исследуемые конструкции были подвержены воздействию волн и льда.

Подготовка места установки волнолома имеет большое значение для сохранности конструкций, подверженным волновым воздействиям. Изначально предполагалось, что подготовка дна не потребуется. Однако влияние прибрежных течений вблизи подводного вала в отсутствие подготовки дна привело к погружению волнолома в песок.

Часть модулей по прошествии эксперимента изменили свое положение, а значит, несмотря на использование бетона для утяжеления конструкции, воздействие волнения и течений было достаточным для сдвига конструкций. Одним из решений этой проблемы предлагается утяжеление конструкции или, как было рассмотрено выше, более тщательная подготовка дна.

Один из модулей не выдержал нагрузки и разломился в основании (возможная причина – недозаполнение бетоном перемычек в основании). Для уточнения деталей этого факта необходимо извлечь элементы поврежденного модуля для дальнейшей экспертизы.

Все вертикальные волногасящие свайные ряды остались целыми, что говорит о достаточной устойчивости предложенной конструкции к волновым и ледовым нагрузкам. Вертикальные трубы-сваи, образующие волногасящие свайные ряды с консольной заделкой в основании и свободными верхними концами, не обломились и не подверглись коррозии.

Большое количество водорослей и других органических объектов, наблюдаемых на поверхности стеклобазальтопластика, свидетельствует о «дружелюбности» этого материала к биотической компоненте окружающей среды.

Проведение эксперимента оказалось очень полезным для дальнейшего совершенствования конструкции с учетом как отрицательных, так и положительных достигнутых результатов. Следует особо подчеркнуть, что проведенная работа – это редкий пример испытания конструкции в натуральную величину именно в таких естественных условиях, в которых возможно ее применение в будущем после доработки.

¹⁾ СП 277.1325800.2016 «Сооружения морские берегозащитные. Правила проектирования». 2017.

²⁾ Седрисев Д. Н., Рубинская А. В. Основы проектирования гидротехнических сооружений, лесных бирж и рейдов приплава : учебное пособие. Красноярск : СибГТУ, 2011. 119 с.

³⁾ Патент на полезную модель № 187014 U1 Российская Федерация. МПК E02B 3/06. Волногаситель : 2018137512 : заявл. 23.10.2018 : опубл. 13.02.2019 / Ефремова М. В. 10 с.

Об авторах

Дмитрий Игоревич Дикий

Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: dimandikiy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8819-8423
SPIN-код: 6377-8773
Scopus Author ID: 56998707400

младший научный сотрудник, кандидат технических наук

Россия, Москва

Владимир Иванович Ефремов

ООО «Торговый дом «Базальтовые трубы»

Email: zbt@bk.ru

исполнительный директор

Россия, Москва

Борис Валентинович Чубаренко

Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН

Email: chuboris@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7988-1717
SPIN-код: 2691-5872
Scopus Author ID: 6507102508

ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией прибрежных систем, кандидат физико-математических наук

Россия, Москва

Дмитрий Александрович Домнин

Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН

Email: dimanisha@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8627-2055
SPIN-код: 1174-4997
Scopus Author ID: 9250345600

старший научный сотрудник, кандидат географических наук

Россия, Москва

Руслан Баядитович Закиров

Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН

Email: zakirov.ruslan.kaliningrad@yandex.ru
SPIN-код: 6502-8689
Scopus Author ID: 57222497041

научный сотрудник, кандидат географических наук

Россия, Москва

Евгений Михайлович Бурнашов

ГБУ КО «Балтберегозащита»

Email: burnashov_neo@mail.ru
SPIN-код: 8437-4568
Scopus Author ID: 41261235800

заместитель директора по мониторингу и безопасности ГТС, кандидат географических наук

Россия, Светлогорск

Константин Викторович Карманов

Калининградский государственный технический университет

Email: konstantin.karmanoff@yandex.ru
SPIN-код: 5780-0845
Scopus Author ID: 55377991800

магистрант, Институт морских технологий, энергетики и строительства

Россия, Калининград

Олег Васильевич Басс

Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта

Email: o.bass@mail.ru
SPIN-код: 5065-1484
Scopus Author ID: 57219593321

доцент, ОНК «Институт высоких технологий», кандидат географических наук

Россия, Калининград

Список литературы

Дополнительные файлы