Адаптация типовых проектов, разработанных в СССР, к современным требованиям гидротехнического строительства

Журнал Гидротехника XXI век №3(6) декабрь 2011г

Изменения нормативной и правовой базы в сфере гидротехнического строительства происходят постоянно. Однако появление современных технологий ставят перед проектировщиками и строителями вопросы и задачи, которые требуют решения. О них мы и поговорим в данной статье.

Гецов И. Б.
главный специалист отдела портов и ГТС ЗАО "Ленгипроречтранс"

Колгушкин А. В.
руководитель группы отдела портов и ГТС ЗАО "Ленгипроречтранс"

Начнем с рассмотрения структуры создания проекта, в частности проекта портового гидротехнического сооружения.

Сложности проектирования портовых гидротехнических сооружений начинаются со сбора исходных данных, часть информации предоставляется заказчиком (данные о расчетных судах, перегрузочном оборудовании), после разработки технологической схемы и анализа результатов инженерных изысканий (топографической съемки, инженерно-гидрологических и инженерно-геологических изысканий) устанавливаются основные характеристики портового сооружения (отметка дна у линии кордона, отметка территории причала).

Затем разрабатывается конструктивная схема причального сооружения и производится расчет – проверка устойчивости причала в целом и прочности его элементов. В процессе расчета выполняется подбор типов и размеров основных конструктивных элементов причала и отдельных деталей. При этом приходится решать две противоречащие друг другу задачи. С одной стороны, конструкции должны быть экономичными, т. е. иметь минимальный расход материалов, низкие затраты труда на их изготовление и монтаж. С другой стороны – необходимо обеспечить надежность конструкций и их безотказную работу на весь период эксплуатации с резервами, которые должны учитывать случайные превышения нагрузок, изменения свойств материалов в процессе эксплуатации сооружения, отличие действительной работы конструкций от теоретической модели, принимаемой при расчете.

Для портовых гидротехнических сооружений задача осложняется тем, что срок их службы составляет не менее 50 лет. При такой продолжительной эксплуатации в расчетах сооружений необходимо учитывать фактор возможного уменьшения несущей способности их элементов вследствие внешних воздействий (коррозия металла, истирающее воздействие льда и т. п.).

Перед выполнением расчетов по данным инженерных изысканий и технологической схемы работы перегрузочного оборудования и складирования грузов на причальном сооружении в соответствии с нормативными документами устанавливаются нагрузки, принимаемые для расчета конструкций причального сооружения.

Расчет сооружений и их элементов производят на основе методов сопротивления материалов и строительной механики. В результате расчетов определяют внутренние усилия и перемещения, возникающие в конструкциях под действием приложенных нагрузок. В настоящее время с развитием вычислительной техники принципиально возможно рассчитать любую сложную конструкцию с необходимой степенью точности.

Нормативными документами, регламентирующими методику расчета конструкций, определяются:

допустимость полученных при расчете усилий (напряжений) и перемещений;
учет различий в работе теоретической модели и фактической конструкции (путем введения соответствующих коэффициентов);
факторы оценки надежности конструкции и обеспечения ее бесперебойного функционирования в течение всего срока службы.

Следует отметить, что в методику расчета конструкций по результатам научных исследований регулярно вносятся изменения, которые затем закрепляются в нормативных документах.

Приведем пример развития методики расчетов.

В XIX в., когда были сформулированы теоретические основы расчета, а строительная механика оформилась как самостоятельная научная дисциплина, был разработан метод расчета конструкций по допускаемым напряжениям.

При расчете по этому методу, напряжения, возникающие в элементах конструкции, не должны превышать допускаемого напряжения [σ], принимаемого для строительной стали равным пределу текучести σ_y, деленному на коэффициент запаса ξ,т.е. σ≤[σ]=σ_y/ξ

Рис.1. Структура создания проекта до стадии строительства

В 1955 г. с утверждением основного руководящего документа по проектированию – Строительных норм и правил (СНиП) в Советском Союзе был принят новый метод расчета конструкций по предельным состояниям, основные принципы которого применяются в расчетах сооружений и в настоящее время.

Под предельными состояниями подразумевают такие состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ.

В расчетах конструкций на действие статических и динамических нагрузок и воздействий, которым они могут подвергаться в течение строительства и заданного срока службы, учитываются следующие предельные состояния:

первой группы по потере несущей способности и (или) полной непригодности к эксплуатации конструкций;
второй группы по затруднению нормальной эксплуатации сооружений.

К предельным состояниям первой группы относятся: общая потеря устойчивости формы и положения, разрушение любого характера; переход конструкции в геометрически изменяемую систему, качественное изменение конфигурации; состояния, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации.

К предельным состояниям второй группы относятся состояния, препятствующие нормальной эксплуатации вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота, колебаний, трещин и т. п.).

Предельные состояния первой группы проверяются расчетом на максимальные (расчетные) нагрузки и воздействия, возможные при нарушении нормальной эксплуатации, предельные состояния второй группы – на эксплуатационные (нормативные) нагрузки и воздействия, отвечающие нормальной эксплуатации конструкций.

В дальнейшем в результате научных исследований, а также с учетом опыта проектирования и строительства портовых гидротехнических сооружений, в нормативные документы вносились изменения, уточняющие коэффициенты надежности и условий работы сооружений, коэффициенты сочетания нагрузок, коэффициенты перегрузки, определяющие зависимость между нормативными и расчетными нагрузками.

В Советском Союзе существовали крупные научно-исследовательские и проектные институты, которые осуществляли как проектирование конкретных объектов, так и усовершенствование методики проектирования портовых гидротехнических сооружений и разработку типовых проектов.

Чтобы оценить перемены, произошедшие в проектировании, для наглядности сравним конструкции причалов, построенных в 60-х гг. ХХ в. и построенных в наши дни в аналогичных геологических условиях, позволяющих как забивку свай, так и возведение гравитационных сооружений.

В 60-е гг. основным строительным материалом был железобетон. Применение металла требовало специального обоснования, так как он считался стратегическим материалом. Конструкции, возводимые в то время, были достаточно массивными. В таблице № 1 приедем сравнение объемов используемых материалов на 100 м конструкции причала, возведенного в 60-е гг. (рис. 2а) и причала, примыкающего к нему и возведенному в наши дни (рис. 2б). Расчетные суда и отметки дна акватории одинаковые. Этот пример взят с реального объекта на реке Амур.

Наименование работ по варианту (а)	Объем на 100 м	ед. изм.
Устройство котлована с ровнением	444	м³
Отсыпка каменной постели с ровнением	444	м³
Установка стенки из ж/б массивов	3300	м³
Отсыпка призмы из сортированной гальки	2529	м³
Установка фундаментных плит под уголковую стенку	50	м³
Установка горизонтальных элементов ж/б стенки уголкового типа	315	м³
Установка вертикальных элементов ж/б стенки уголкового типа	179	м³
Установка анкерной тяги	3,83	т
Отсыпка фильтра из сортированной гальки на стыке горизонтальных и вертикальных плит	203	м³
Засыпка песком	10755	м³
Щебень	533	м³
Ж/б плиты покрытия	355	м³
Наименование работ по варианту (б)	Объем на 100 м	ед. изм.
Погружение стального шпунта лицевой стенки	123,6	т
Установка деревянных свай	7,36	м³
Установка вертикальной ж/б плиты	37,5	м³
Установка анкерной тяги	17,96	т
Засыпка песком	11141	м³
Изготовление железобетонного оголовка	58	м³
Щебень	533	м³
Ж/б плиты покрытия	355	м³

Таблица 1

Причал, возведенный в наши дни — Рис.2а. Причал, возведенный в 60-е гг

На рис. 2а изображена причальная стенка, представляющая собой конструкцию, выполненную в виде кладки из шести курсов бетонных массивов, установленных на каменную постель толщиной 0,6 м. По верху массивовой кладки выполнена надстройка в виде уголковой стенки с внутренней анкеровкой металлическим анкером. За массивовой кладкой отсыпана призма из сортированной гальки. За уголковой стенкой уложена железобетонная разгрузочная плита.

На рис. 2б конструкция причала представляет собой больверк с лицевой стенкой из стального шпунта длиной 9,0 м. Анкеровка шпунта лицевой стенки осуществляется за железобетонные анкерные плиты высотой 2,0 м шириной 1,5 м толщиной 0,3 м, устанавливаемые на щебеночную подготовку толщиной 300 мм. Анкерные тяги диаметром 50 мм и расчетной длиной 10 м изготавливаются из стали и устанавливаются с шагом 2,4 м.

Разница в объемах используемых материалов при решении одной и той же задачи весьма существенна. Конечно, конструкция больверк применялась и тогда. Но важно отметить, что подход к финансированию строительства гидротехнических объектов модернизировался.

С возникновением и развитием рыночной экономики в России структура проектных институтов претерпела значительные изменения. Работа по усовершенствованию методики проектирования портовых сооружений в настоящее время сосредоточена в учебных институтах. Проектные институты, численность каждого из которых в несколько раз уменьшилось, а количество их увеличилось, сейчас нацелены на решение задач по проектированию конкретных объектов. Типовым проектированием ни одна из этих организаций не имеет возможности заниматься из-за отсутствия финансирования.

Следует отметить, что рыночная экономика привела к появлению большого количества импортных материалов, каждый из которых изготавливается по стандартам государства-производителя.

Приведем пример. Номенклатура шпунтовых профилей, применяемых при строительстве портовых гидротехнических сооружений в России, весьма разнообразна. Шпунтовые стенки возводятся из профилей, изготавливаемых как в Европейском союзе (ArcelorMittal (Люксембург), ThyssenKrupp AG (Германия), Evraz Vitkovice Steel (Чехия)), так и в Японии, Корее, Китае, США. Шпунтовые сваи также выпускаются и на территории России, в том числе шпунтовые панели ПШС производства ЗАО "КурганШпунт", шпунт Ларсен-5УМ, производства ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат", трубошпунт производства ООО "Трест Запсибгидрострой" (г. Сургут) и шпунтовые сваи из полутруб производства ПО Берегсталь (г. Санкт-Петербург).

Каждый из заводов-изготовителей предлагает широкую номенклатуру профилей, которые позволяют выбрать нужный для проектируемого сооружения. Поэтому перед проектировщиком ставятся сложные задачи выбора конкретного шпунтового профиля, которые обусловлены не только металлоемкостью конструкции и прочностными характеристиками каждого из профилей, но и сроками поставки, которые определяются в результате переговоров заказчика с заводами-изготовителями. Целесообразно было бы в проектной документации, выполняемой в соответствии с требованиями постановления Правительства № 87 от 16 февраля 2008 г. "О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию", указывать только основные прочностные характеристики шпунтовых профилей, а профиль, согласованный для применения в конструкции причала, определять по согласованию с заказчиком перед началом разработки рабочей документации.

Рис.3. Конструкция «больверк» с типовыми элементами:
а) швартовные рымы; б) швартовные тумбы; в) распределительный пояс; г) анкерная тяга;
д) анкерная плита; е) подкладка

То же самое явление имеет место и для других элементов причальных сооружений. Для причалов типа "больверк" это анкерные тяги, отбойные устройства, швартовные тумбы, рымы и многие другие элементы конструкции причала.

Таким образом, типовые проекты, разработанные в Советском Союзе, во многом не удовлетворяют современным требованиям, а предложения фирм-производителей материалов, особенно зарубежных, по конструкциям узлов сооружений часто не соответствуют российским нормативным документам и создают трудности при применении их в условиях России. Поэтому каждый проектный институт часто использует свое техническое решение, основанное на опыте применения типовых проектов, разработанных в Советском Союзе и традициях проектной организации. Не всегда такие решения обеспечивают рациональное использование современных материалов.

За счет чего можно обеспечить единство и рациональность технических решений при проектировании сооружений, в частности портовых? С введением саморегулирования в области проектирования и строительства были созданы саморегулируемые организации строителей и проектировщиков (СРО), которые и могли бы обеспечить финансирование разработки рациональных типовых технических решений с применением современных материалов и утверждение их в качестве рекомендуемых к применению в рамках конкретного СРО. Это могло бы помочь сократить сроки проектирования, улучшить качество разрабатываемой документации и более рационально использовать свойства современных материалов.