20Исследование возможности применения инженерно-экологического противоэрозионного покрытия - геомата с грунтом и посевом трав
Жукова Татьяна Юрьевна,
соискатель кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, [email protected]
Еремеев Андрей Викторович,
кандидат технических наук, преподаватель кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, [email protected]
Ханов Нартмир Владимирович,
доктор технических наук, профессор кафедры инженерных конструкций, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, mail:[email protected]
Зборовская Марина Ильинична,
кандидат технических наук, доцент кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, [email protected]
Новиченко Антон Игоревич,
кандидат технических наук, доцент кафедры технического сервиса машин и оборудования, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, [email protected]
Геосинтетические материалы считаются современными, надежными и долговечными строительными материалами, применяемые во многих областях строительства. Геосинтетические строительные материалы обеспечивают жизнеспособную и долгосрочную экономическую альтернативу другим видам обычных строительных материалов. В процессе эксплуатации гидротехнических сооружений, на них воздействует водная и воздушная эрозия, воздействие этих процессов может привести к негативным последствиям, вследствие чего возможны размывы и разрушения сооружений. Для устранения таких последствий нужно правильно подобрать защитный противоэрозионный материал и конструкцию крепления откоса. Распространёнными геосинтетическими материалами являются геоматы, которые нашли свое применение в строительстве. Так же как и другие геосинтетические материалы, геоматы имеют достаточно обширную область применения в гидротехническом строительстве. В данной работе рассматривается применение геомата с заполнителем из грунта и посева многолетних трав. В настоящее время достаточно остро стоит вопрос о повышении экологических факторов. Использование данного покрытия придаст откосу естественный природный вид без потери защитных свойств. Также благодаря посеву многолетних трав использование данного покрытия повысит экологические характеристики сооружения, что благоприятно скажется на флоре и фауне.
Ключевые слова: геосинтетические материалы, геомат, водная эрозия, защита, растительность, откос, покрытие.
Введение. Геосинтетические материалы используются в строительстве по всему миру уже более 45 лет и в настоящее время объёмы их использования только увеличиваются. В основном эти материалы применяют для отвода фильтрационных вод, дренажей, разделения слоев разных материалов и грунтов, защиты и борьбы с эрозией [1].
При эксплуатации гидротехнических откосов на них часто воздействуют водная и ветровая эрозия. Одним из распространенных современных материалов для борьбы с водной эрозией является геомат.
Геомат - это трёхмерный геос интетический материал, состоящий из нескольких слоев полипропиленовых экструдированных решеток, наложенных друг на друга и связанных с помощью полипропиленовой нити термическим способом. Геоматы обычно используются для того, чтобы защитить грунт от эрозии, закрепить на склоне корни трав, деревьев или небольших растений, а также в строительстве и гидротехнике.
На протяжении веков растительность использовалась для предотвращения и контроля последствий эрозионных и массовых процессов истощения. Повышенная осведомлённость общества об окружающей среде привела к тому, что растительность стала использоваться в качестве ключевых инструментов в сохранении ландшафта [2].
Благодаря распространенности и экологичности растительность является одним из наиболее перспективных способов защиты откосов. Однако в некоторых случаях, например, когда эрозионные процессы протекают слишком быстро или в случае антропогенного влияния, слой растительности подвергается вымыванию из грунта без возможности последующего естественного восстановления. Для предотвращения такого рода явлений необходимо создание и развитие растительного слоя, устойчивого к воздействию эрозии и прочих неблагоприятных факторов. Для этих целей предлагается рассмотреть защитное покрытие, состоящее из комбинации геомата, заполненного грунтом, содержащим семена многолетних трав, которые прорастают и создают комбинированный защитный слой
Материалы и методы.
Существует несколько типов геоматов. Тип мата подбирается в каждом случае в зависимости от областей применения таких как: покрытие откоса, покрытие русла или канала, быстротока. В таблице 1, показаны типы и преимущества покрытий с применением геомата, посева трав, геомата с посевом трав.
Таблица 1
Преимущества покрытий с применением геомата, посева трав, геомата с посевом трав
Преимущества покрытий Тип покрытия
Применение Применение Применение гео-
посева трав геомата мата с посевом трав
Защита от (водной и ветровой эрозии) + + +
Биологическая защита откоса + - +
Укрепление откосов + + +
Укрепление почвенного покрова корне- + - +
вой системой
Экологические характеристики объекта + - +
Развитие флоры и фауны + - +
Защита от сезонного подтапливания или +/- + +/-
природных катаклизмов
Защита железнодорожных насыпей или водных каналов, кюветов, быстротоков + + +
Способность выдерживать большую +/- +/- +
нагрузку
Стоимость покрытия + + +
Благодаря тому, что геомат изготавливается из полимерного материала, срок службы его достаточен для долговременной защитной функции. При выборе долговременной противоэрозионной защиты необходимо учитывать срок биологических факторов старения природного материала.
В качестве эффективной защиты от водной эрозии согласно [3] геомат можно использовать в следующих случаях, например, если участок расположен значительно выше нормального уровня воды. Если участок значительно подвержен гидродинамической нагрузке, то применяется геомат, покрытый щебнем фракцией 2-6 мм. А если участок находится на уровне воды или ниже (где развитие растительного слоя невозможно), то рекомендуется применять геомат с заполнителем.
При укладке этого материала на откосах необходимо принимать во внимание геотехнические аспекты. Геомат может применяться на очень крутых склонах или даже вертикальных. Максимальное рекомендованное значение заложения откоса для укладки геомата равно 1:1, в случае если откос находится под водой, то значение заложения откоса равно 1:1,5. Если откос довольно крутой, то в этом случае на геомат воздействуют растягивающие усилия, поэтому рекомендуется использовать геомат с армированной подложкой.
Результаты и обсуждения.
Рассмотрим вариант использования геомата с растительностью. Преимущества такого использования геомата заключаются в том, что растительное покрытие защищает грунт от эрозии.
Благодаря особому способу производства в структуре геомата образуется около 90 процентов пустот, что позволяет его использовать как армирующий материал. В эти пустоты заполняется грунт с семенами многолетних трав. За счёт армирующего свойства геомата грунт, находящийся в его структуре, не рассыпается. Корни травяного посева обвивают нити геомата и более надёжно фиксируют грунт в структуре геомата.
При укладке данной композиции, на поверхности откоса находится слой из плодородного грунта и корней растений. Корни растений повышают плодородие почвы и уменьшают вероятность эрозионного воздействия. Также корни растений переплетаются с нитями геомата, создавая достаточно плотное сплошное покрытие, укрепляя грунт. Благодаря данному эффекту грунт может выдержать большую нагрузку [4].
Геомат засеивают семенами многолетних трав и заполняют черноземом или растительным грунтом. Маты, предназначенные для укладки на очень крутых и длинных склонах, засеивают с использованием гидропосева. Развитие растительного покрова обычно занимает несколько месяцев. В случаях, когда создается растительный покров, необходимо в значительной степени засев выполнять в конце вегетационного периода. Пример противоэрозионного материала геомата представлен на рисунке 1.
Укладывается геомат на ровную поверхность, поэтому поверхность предварительно выравнивается и уплотняется. В тех случаях, когда участок находится в дождливой местности, необходимо предусмотреть дополнительные дренажные элементы, такие, например, как нагорные и отводящие каналы. На очень высоких склонах желательно предусмотреть бермы.
Использование геомата для закрепления растительного покрова повышает сопротивляемость грунта эрозии, что при определенных условиях служит альтернативной
жесткой одежде откосов, например в тех случаях, когда её возведение является экономически или экологически необоснованным. Важно, что с использованием геомата, вероятность возникновения слабых мест сводится к минимуму, а следовательно, выявление эрозии маловероятно.
Рис. 1. Применение противоэрозионного материала геомата
Расчётное обоснование инженерно-биологических сооружений с применением геомата, заполненного грунтом с посевом многолетних трав включает в себя прогностическую оценку статической устойчивости последних против сдвига и опрокидывания под действием основных сил, воздействий и нагрузок [5].
Для большинства материалов, используемых для облицовки откосов и дна канала значение «п» Маннинга существенно не меняется в зависимости от глубины потока и обычно принимается постоянным. Однако для травяных каналов значение «п» меняется и сильно зависит от глубины потока. Это изменение вызвано реакцией травы на поток. При увеличении глубины потока - трава наклоняется, тем самым уменьшая её высоту и изменяя её сопротивление воздействию на поток. Особенно это может быть заметно на быстротоках и при работе резервных водосбросов.
На природоприближенное сооружение с применением геомата, заполненного грунтом с посевом многолетних трав в общем случае действуют следующие силы: собственный вес, нагрузки от гидростатического и гидродинамического воздействия воды; активное давление и обратный отпор грунтовых засыпок, а также естественного грунта.
Нагрузки от текущей воды определяются по формуле (1) влекущей силы Дюбуа:
£ = р- g ■ Я ■ I, (1)
где: р - плотность воды; д - ускорение свободного падения, Я - гидравлический радиус, I - уклон дна.
Конструкция крепления в русле будет считаться устойчивой, если действующая на них влекущая сила не превышает заранее установленных допускаемых, критических значений, то есть если выполняются условия по формуле (2):
£ < £доп, (2)
где: 5 - действующая влекущая сила, 5доп - допускаемое (критическое) значение влекущей силы, представленное в таблице 2 [5].
Рассмотрим методику расчёта устойчивости инженерно-биологического крепления откоса речного русла с применением геомата, заполненного грунтом с посевом многолетних трав. Для удобства выполнения расчетов форма поперечного сечения водотока принимается трапецеидальной. В первую очередь определяем основные гидравлические характеристики водотока [5].
Таблица 2
Допускаемое значение влекущей силы для некоторых креплений, в Н/м2 [5]
Типы конструкций На момент Через 1 веге- Через 2 вегета- Через 3 вегета-
начала экс- тационный пе- ционных пери- ционных пери-
плуатации риод ода ода
Засев травами 0 10 30 >30
Одерновка 10 30 30 30
Ивовая выстилка прутьями-рутами 50 150 300 >300
Хворостяной матрац 32 40 100 300
Проросшие побеги 15 - 75 120
Каменная отсыпка с прорастаю- 50 - 100 250
щими кольями
«Живая» тюфячная кладка 100 200 - >300
«Живая» каменная отмостка 75 100 300 >350
Площадь живого сечения определяется по формуле (3): со = (Ъ + 2тИ)И;
Длина смоченного периметра определяется по формуле (4):
Х = Ъ + 2Ил] 1 + т2;
Гидравлический радиус определяется по формуле (5):
Я = ®/;
/ %
Для расчёта гидравлического уклона используется формула (6):
И - И+
I =
' г+1 /
(3)
(4)
(5)
(6)
Далее сравниваем полученные значения 5 с её допустимыми значениями по табл. 2. Другим вариантом рассматриваемой конструкции могло бы служить комбинированное крепление с пригрузкой в зоне подошвы откоса, где концентрируются наибольшие влекущие силы, выполненной в виде фашинного тюфяка. При этом верхняя часть поверхности откоса будет испытывать меньшие касательные напряжения. В связи с этим её крепление можно выполнить облегчённым и, следовательно, менее дорогостоящим, допускаемые значения влекущей силы для некоторых типов пригру-зок креплений показаны в таблице 3 [5].
Таблица 3
1.1Конструкция Sдоп, Н/м2
1.2Корни водных растений 1.320
1.4Вязанка из веток деревьев 1.540
1.6Фашины 1.760
1.8Тяжёлая фашина 1.980
1.10Фашина из хвойных сортов деревьев 1.1180
1.12Тростниковая фашина 1.1350
1.14Затопленный ствол дерева 1.15100
1.16Гибкая каменная пригрузка 1.17>300
Выбирая растительный слой необходимо соблюдать следующие требования: корни растений должны достаточно глубоко проникать в грунты; растения должны хорошо переносить засушливые времена; быстро расти.
Для прорастания семян температура почвы должна быть не менее 10°С, почва должна быть достаточно увлажнена. При благоприятных условиях для прорастания семян необходимо от 1 до 3 недель. В первый вегетационный период образуется сплошной растительный слой, для образования полного растительного слоя требуются два вегетационных периода. Лучшее время для посева в умеренном климатическом поясе - апрель и сентябрь. Соблюдение требований к высеву семян, обеспечивает создание сплошного и густого травостоя.
При изучении работы травостоя в качестве крепления русла реки, канала или быстротока, в нем необходимо обеспечить соблюдение требований по работе этих сооружений - сопротивление сдвигу, защиту от эрозии, поддержание параметров сечения, значение коэффициента шероховатости и др [6]. Нагрузка на грунт канала, быстротока или откоса определяется скоростью водного потока и временем воздействия, может характеризоваться «высокой» скоростью потока более 1 м/с, при которой необходимо малое время для развития эрозионных процессов и «низкой» скоростью потока менее 1,0 м/с, при которой достаточно времени для развития растительности. Поскольку режим работы каждого из сооружений имеет свои особенности, все они должны находить отражение в свойствах защитного покрытия с применением системы «геомат - грунт - травостой», представленной на рисунке 2.
Рис.2. Крепление русла канала травостоем (а), крепление русла гидропосевом (Ь) и крепление русла быстротока травостоем (с)
Выводы
Местоположение травяного ковра геомата на откосе имеет большое значение. Геомат с развитой растительной системой, уложенный на откосе, улучшит его проти-воэрозионные свойства.
При разнотравье необходимо выбирать сорта трав, характерные для данной местности. При выборе сорта травы необходимо учитывать густоту растительного слоя и плотность корневой системы.
При укладке данного покрытия стоит учитывать влекущую силу, действующую на него, её значение не должно превышать критического значения. В случае превышения критического значения необходимо использовать пригрузы.
Актуальным являются дальнейшие исследования покрытия в условиях их работы в сооружении, с определением гидравлических характеристик и уточнением коэффициента шероховатости с учетом влияния травостоя. Комплекс «геомат - грунт засыпки - грунт основания - травостой» должен работать как единая система на перечисленные в работе нагрузки, в том числе с учётом вегетационного периода, что является целью работы.
Литература
1.Жукова Т.Ю. Использование геосинтетических материалов и геотекстиля при строительстве//Научный электронный журнал «Инновации. Наука. Образование». -2022.-№ 52. - С.393-397.
2.Andreu, V. et al. Ecotechnological Solutions for Unstable Slopes: Ground Bio- and Eco-engineering Techniques and Strategies. In: , et al. Slope Stability and Erosion Control: Ecotechnological Solutions. Springer, Dordrecht. - (2008). https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6676-4_7(accessed 17.07.2022)
3. Christopher I. Thornton, Amanda L. Cox, Michael D. Turner. Greenarmor 7020 with Greenarmor kentucky bluegrass //Hydraulic Testing and data report 2009for profile products, lls. Colorado State University Daryl B. Simons Building at the Engineering Research Center Fort Collins, Colorado. -2009. -S.35
4. Белавкин А.В., Зборовская М.И., Зимнюков В.А. Влияние растений на параметры потока в прямоугольном русле // Материалы международной научной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 150-летию А.В. Леонтовича. Сб. статей.- М:. Изд-во РГАУ- МСХА. - 2019. - С.497 - 500.
5.Румянцев, И.С., Чалов, Р.С., Кромер, Р., Нестманн, Ф. Природоприближенное восстановление и эксплуатация водных объектов / Под ред. Румянцева И.С. - М :МГУП, 2001г. - 287с.
6.Хомченко Ю.В. Устойчивость откосов и склонов, укрепленных геотекстильными ма-териалами//Вестник Полоцкого государственного университета. - 2014. - №16.- С.54-59.
Study of the possibility of application of engineering and environmental anti-erosion coating - geomate with soil and sowing grass
Zhukova T.Yu., Eremeev A.V., Khanov N.V., Zborovskaya M.I., Novichenko A.I.
Federal state budgetary educational institution of higher education «Russian state agrarian University - MAA named after C.A.
Timiryazev», Institute of Environmental Engineering named after A.N. Kostyakov Geosynthetic materials are considered modern, reliable and durable building materials used in many areas of construction. Geosynthetic building materials provide a viable and long-term economic alternative to other types of conventional building materials. During the operation of hydraulic structures, they are affected by water and air erosion, the impact of these processes can lead to negative consequences, as a result of which erosion and destruction of structures are possible. To eliminate such consequences, it is necessary to choose the right protective anti-erosion material and the design of the slope fastening. Common geosynthetic materials are geomats, which have found their application in construction. Like other geosynthetic materials, geomats have a fairly wide range of applications in hydraulic engineering construction. This paper discusses the use of a geomats with soil filler and sowing of perennial grasses. Currently, the issue of increasing environmental factors is quite acute. The use of this coating will give the slope a natural look without loss of protective properties. Also, thanks to the sowing of perennial grasses, the use of this coating will increase the environmental characteristics of the structure, which will favorably affect the flora and fauna. Keywords: geosynthetic materials, enkamat, water erosion, protection, vegetation, slope, cover. References
1.Zhukova T.Yu. Ispol'zovanie geosinteticheskikh materialov i geotekstilya pri stroitel'stve//Nauchnyi elektronnyi zhurnal «Inno-vatsii. Nauka. Obrazovanie». -2022.-№ 52. - S.393-397.
2.Andreu, V. et al. Ecotechnological Solutions for Unstable Slopes: Ground Bio- and Eco-engineering Techniques and Strategies. In: , et al. Slope Stability and Erosion Control: Ecotechnological Solutions. Springer, Dordrecht. - (2008). https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6676-4_7(accessed 17.07.2022)
3. Christopher I. Thornton, Amanda L. Cox, Michael D. Turner. Greenarmor 7020 with Greenarmor kentucky bluegrass //Hydraulic
Testing and data report 2009for profile products, lls. Colorado State University Daryl B. Simons Building at the Engineering Research Center Fort Collins, Colorado. -2009. -S.35
4. Belavkin A.V., Zborovskaya M.I., Zimnyukov V.A. Vliyanie rastenii na parametry potoka v pryamougol'nom rusle // Materialy
mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii molodykh uchenykh i spetsialistov, posvyashchennoi 150-letiyu A.V. Leontovicha. Sb. statei.- M:. Izd-vo RGAU- MSKhA. - 2019. - S.497 - 500.
5.Rumyantsev, I.S., Chalov, R.S., Kromer, R., Nestmann, F. Nature Approximate Restoration and Operation of Water Objects / Ed. Rumyantseva I.S. - M: MGUP, 2001. - 287s
6.Khomchenko Yu.V. Stability of slopes and slopes reinforced with geotextile materials // Bulletin of the Polotsk State University. -2014. - No. 16. - P. 54-59.
