СПОСОБ УКЛАДКИ ГИБКОГО ЗАЩИТНОГО БЕТОННОГО МАТА НА ДОННУЮ ПОВЕРХНОСТЬ И УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ГИБКИЙ ЗАЩИТНЫЙ БЕТОННЫЙ МАТ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК E02B3/12 E02D17/20 

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к средствам для укрепления берегов, дамб, русел и поверхностей иных объектов естественного или искусственного происхождения. Устройство может быть использовано, в частности, при возведении подводных переходов трубопроводов, для защиты опор мостов, гребней плотин и дамб от размыва при переливе воды, при сооружении каналов, канав и стоков. Кроме того, устройство может найти применение для защиты наземных покрытий, например, дорожных.

Наибольшее распространение для защиты разнообразных объектов от воздействия потока воды получила ставшая уже классической конструкция гибкого бетонного мата (ГБМ) из симметричных относительно плоскости ГБМ бетонных блоков, связанных между собой порядно и в рядах с зазором замоноличенным канатом или канатами (патентный документ RU 2129635 С1 от 27.04.1999). Бетонные блоки представляют собой двусторонние усеченные пирамиды, соединенные между собой по плоскости общего большего основания в единый монолитный бетонный блок.

В дальнейшем были предприняты попытки по улучшению надежности сцепления ГБМ с защищаемой донной поверхностью. Так, из уровня техники (патентный документ RU 2364678 С2 от 20.08.2009) известен ГБМ, являющийся наиболее близким аналогом настоящего изобретения, содержащий бетонные блоки, связанные между собой порядно и в рядах с зазором канатом или канатами, образованные двумя усеченными пирамидами и выполненные асимметричными относительно плоскости общего основания пирамид с целью обеспечения, в частности, надежной сцепляемости ГБМ с защищаемой донной поверхностью. Надежное сцепление ГБМ с защищаемой донной поверхностью имеет большое практическое значение, так как при определенных условиях (например, при весеннем паводке) возможен дрейф ГБМ или даже его отрыв от защищаемой поверхности с дальнейшим ее разрушением потоком воды.

Однако известное ГБМ было создано без учета особенностей грунтов различного типа и на практике может быть использовано только на поверхностях, образованных очень ограниченным перечнем грунтов, из-за недостаточно проработанной формы блоков ГБМ, не подходящей для погружения блоков в более плотные дисперсные грунты или для самофиксации, в частности, на глинистых грунтах.

Задачей, для решения которой предназначено настоящее изобретение, является обеспечение высокой степени защиты донной поверхности благодаря улучшению фиксации ГБМ на разнообразных защищаемых поверхностях. Задача решается выбором оптимальной формы блоков ГБМ.

Обеспечиваемый изобретением технический результат заключается в повышении надежности сцепления ГБМ с защищаемыми донными поверхностями любого типа (то есть надежности фиксации ГБМ на поверхностях любого типа), образованными преимущественно как скальными, полускальными или глинистыми грунтами, так и песчанистыми или крупнообломочными грунтами, так и содержащими в основном илы, санропели, заторфованные грунты или торфы.

Технический результат достигается благодаря тому, что в первом варианте способа укладки ГБМ с асимметричными блоками на донную поверхность водотока, включающем ориентирование ГБМ по отношению к донной поверхности одной или другой его стороной и последующее размещение ГБМ на донной поверхности, при превышении течением воды в водотоке величины неразмывающей скорости для данного участка водотока и/или если характеристики грунта донной поверхности достаточны для самопогружения ГБМ в грунт под действием собственного веса, ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной с большей проникающей способностью. В противном случае ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной с меньшей проникающей способностью.

В частном случае реализации данного способа ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной с большей проникающей способностью при превышении течением воды в водотоке величины неразмывающей скорости для данного участка водотока как минимум в 1,2 раза, и/или если характеристики грунта донной поверхности достаточны для самопогружения ГБМ в грунт под действием собственного веса не менее чем на 20% от полный высоты блоков.

Также технический результат достигается благодаря тому, что во втором варианте способа укладки ГБМ с асимметричными блоками на донную поверхность водотока, включающем ориентирование ГБМ по отношению к донной поверхности одной или другой его стороной с последующим размещением ГБМ на донной поверхности, в случае, если донная поверхность образована преимущественно скальными, полускальными или глинистыми грунтами, то ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной, на которой блоки имеют основания плоской формы и большей площади в плане по сравнению с противоположной стороной. Если донная поверхность образована преимущественно песчанистыми или крупнообломочными грунтами, то ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной, на которой блоки имеют основания меньшей площади в плане или выполнены без оснований. Если донная поверхность водотока содержит в основном илы, сапропели, заторфованные грунты или торфы, то ГБМ ориентируют к дойной поверхности любой его стороной.

Кроме того, технический результат достигается благодаря тому, что в первом варианте ГБМ, который содержит бетонные блоки, связанные между собой порядно и в рядах по меньшей мере одним соединительным элементом, поверхности у данных блоков с верхней и нижней стороны ГБМ выполнены преимущественно сужающимися по направлению от центральной части блоков, а основания блоков имеют плоскую форму с одной или с обеих сторон ГБМ, в случае, если основания блоков имеют плоскую форму с обеих сторон ГБМ, выполняются условия (1), (2) и (3).

где - средняя для всего ГБМ величина площади оснований блоков с первой стороны ГБМ;

- средняя для всего ГБМ величина площади оснований блоков со второй (противоположной) стороны ГБМ;

- средняя для всего ГБМ величина высоты блоков со второй стороны ГБМ;

- средняя для всего ГБМ величина высоты блоков с первой стороны ГБМ;

- средняя для всего ГБМ величина угла наклона боковой поверхности блоков с первой стороны ГБМ;

- средняя для всего ГБМ величина угла наклона боковой поверхности блоков со второй стороны ГБМ.

Данные величины вычисляют, используя выражения (4), (5) и (6).

Где S₁ - площади оснований блоков с первой стороны ГБМ;

S₂ - площади оснований блоков со второй (противоположной) стороны ГБМ;

N - общее число блоков в ГБМ.

где h₁ - высота части блока, расположенной с первой стороны ГБМ;

h₂ - высота части блока, расположенной со второй стороны ГБМ;

N - общее число блоков в ГБМ.

где - средние величины углов наклона боковых поверхностей блока, расположенных с первой стороны ГБМ;

- средине величины углов наклона боковых поверхностей блока, расположенных со второй стороны ГБМ.

Если поверхность блока ГБМ лучше аппроксимируется пирамидами, чем круговым конусом или конусами, то средние величины углов наклона боковых поверхностей блока вычисляют по выражению (7), в противном случае данные величины вычисляют по выражению (8).

где γ_p - угол наклона грани пирамиды;

n - общее число граней в пирамиде или пирамидах с одной стороны блока.

Где γ_c - угол раствора конуса, измеряемый между двумя противоположными образующими конуса или конусов;

P - общее число равномерных поворотов вокруг оси конуса при измерении данных углов;

N - общее число блоков в ГБМ.

Для ГБМ по первому варианту с основаниями у блоков только с одной стороны ГБМ технический результат достигается, если выполняются условия (9) и (10).

где - средняя для всего ГБМ величина высот блоков со стороны оснований блоков;

- средняя для всего ГБМ величина высот блоков со стороны, на которой у блоков отсутствуют основания.

где - средняя для всего ГБМ величина углов наклона боковой поверхности блоков со стороны с основаниями;

- средняя для всего ГБМ величина углов наклона боковой поверхности блоков со стороны, на которой у блоков отсутствуют основания.

Величины и вычисляют аналогично вычислению и , по выражению (5), а величины и соответственно по выражению (6).

В частном случае блок образован из двух тел пирамидальной или конусообразной формы, являющихся усеченными и сопряженных своими большими основаниями.

В другом частном случае:

или

В еще одном частном случае:

Причем с указанными характеристиками выполнено не менее 50% блоков, входящих в состав ГБМ.

Технический результат достигается также благодаря тому, что во втором варианте ГБМ выполняется условие (16). При этом ГБМ содержит бетонные блоки, соединенные между собой порядно и в рядах по меньшей мере одним замоноличенным канатом или тросом, образованные преимущественно из двух тел пирамидальной или конусообразной формы, являющихся усеченными и сопряженных своими большими основаниями.

где ξ - коэффициент асимметрии между сторонами ГБМ, вычисляемый по выражению (17).

где $$\overline{\theta }$$ - средняя для всего ГБМ величина площади оснований и/или углов наклона боковых поверхностей блоков для первой стороны ГБМ;

- средняя для всего ГБМ величина площади оснований и/или углов наклона боковых поверхностей блоков для второй (противоположной) стороны ГБМ.

Величины $$\overline{\theta }$$ и вычисляют, используя выражения (4) и (6), аналогично тому, как это делают для первого варианта ГБМ.

В частном случае выполнения ГБМ по своему второму варианту:

где - средняя для всего ГБМ величина высоты блоков с первой стороны ГБМ;

- средняя для всего ГБМ величина высоты блоков со второй стороны ГБМ.

Величины и вычисляют по выражению (5) по аналогии с вычислениями для первого варианта ГБМ.

Также в частном случае второго варианта ГБМ:

В другом частном случае:

В еще одном частном случае:

Также технический результат достигается благодаря тому, что в третьем варианте ГБМ выполняется условие (22). При этом ГБМ содержит бетонные блоки, соединенные между собой порядно и в рядах по меньшей мере одним замоноличенным канатом или тросом, образованные преимущественно из двух тел пирамидальной или конусообразной формы, являющихся усеченными и сопряженных своими большими основаниями.

где ξ_α - коэффициент асимметрии между сторонами ГБМ.

При этом ξ_α вычисляют по выражению (23).

где - средняя для всего ГБМ величина площади оснований и/или углов наклона боковых поверхностей асимметричных блоков для первой стороны ГБМ;

- средняя для всего ГБМ величина площади оснований и/или углов наклона боковых поверхностей асимметричных блоков для второй (противоположной) стороны ГБМ.

Величины и вычисляют используя выражения (4) и (6), аналогично тому, как это делают для первого варианта ГБМ. Отличие в вычислениях заключается в том, что характеристики симметричных блоков не учитывают.

В частном случае выполнения ГБМ по своему третьему варианту:

где - средняя для всего ГБМ величина высоты асимметричных блоков с первой стороны ГБМ;

- средняя для всего ГБМ величина высоты асимметричных блоков со второй стороны ГБМ.

Величины и вычисляют по выражению (5) по аналогии с вычислениями для первого варианта ГБМ.

В другом частном случае:

В еще одном частном случае:

Также в частном случае третьего варианта ГБМ:

Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами.

На фиг.1 показаны вид снизу, вид сбоку и общий вид ГБМ с асимметричными блоками.

На фиг.2 представлен пример фрагмента краевой части ГБМ, вид снизу и сбоку.

На фиг.3 пояснен принцип самозаглубления ГБМ.

На фиг.4 показан пример фрагмента краевой части ГБМ при выполнении одной части блока в виде двух пирамид, вид сбоку.

На фиг.5 показан вид сбоку двух блоков ГБМ, имеющих только одно основание.

ГБМ содержит бетонные блоки 1, связанные между собой порядно и в рядах с зазором соединительными элементами, представляющими собой замоноличенные канаты (тросы) 2 из металла или синтетического материала, свободные части которых образуют монтажные петли 3.

На практике блоки 1 обычно состоят из двух усеченных пирамид 4 и 5, выполнены асимметричными относительно плоскости 6 общего основания пирамид 4 и 5, что выражается в их различной высоте h₁ и h₂, а также в отличающихся площадях меньших оснований усеченных пирамид S₁, S₂ и в не равных углах α₁ и α₂ наклона боковых граней пирамид 4 и 5.

Благодаря своей форме блок 1 обладает большой проникающей способностью в грунт со стороны пирамиды 5, что обусловлено относительно небольшой площадью S₂ ее основания и остротой угла α₂. Также блок 1 обладает хорошо развитой плоской поверхностью основания пирамиды 1 с противоположной своей стороны, на которой при необходимости выполняют выемку-присоску 7 для усиления сцепления с донной поверхностью.

Пример 1. В таблице 1 представлены сведения о ГБМ с асимметричными блоками (ГБМ-А) и ГБМ с блоками симметричной формы (ГБМ-С).

Таблица 1 Сравнительные характеристики ГБМ Наименование характеристики ГБМ-А ГБМ-С Полностью совпадающие (внешние) характеристики Длина ГБМ, мм 2746 2746 Ширина ГБМ, мм 1226 1226 Высота ГБМ, мм 150 150 Габаритные размеры большего общего основания, мм 300×300 300×300 Количество бетонных блоков в ГБМ, шт. 36 36 Не совпадающие (производные) характеристики Высота одной усеченной пирамиды, мм 30 75 Высота другой усеченной пирамиды, мм 120 75 Вес одного блока ГБМ, кг 22,03 25,17 Габаритные размеры одной вершины усеченной пирамиды, мм 260×260 230×230 Габаритные размеры другой вершины усеченной пирамиды, мм 200×200 230×230 Площадь сечения одного бетонного блока ГБМ, м² 0,0384 0,03975 Угол наклона боковых граней одной пирамиды 33,69° 25,02° Угол наклона боковых граней другой пирамиды 22,62° 25,02°

Блокам 1 придана асимметричная форма, наиболее подходящая для надежного их сцепления с защищаемыми донными поверхностями любого типа. Причем для укладывания ГБМ на рыхлые (легкоразмываемые) поверхности предназначена одна сторона ГБМ, характеризующаяся высокой проникающей способностью в грунт, а для его укладывания на плотные (трудноразмываемые) поверхности противоположная сторона, характеризующаяся иной формой образующих блоки 1 пирамид, с большой площадью их оснований.

Оптимальная форма блоков 1 ГБМ (ГБМ-А) определена на основании гидрологических расчетов, в результате которых установлено, что по сравнению с ГБМ, состоящим из блоков симметричной формы (ГБМ-С), более надежное сцепление с рыхлыми донными поверхностями обеспечивается в случае выполнения нижней стороны ГБМ с пирамидами 5, имеющими высоту h₂, площадь S₂ основания и угол α₂ наклона боковых граней, а более надежное сцепление с плотными донными поверхностями обеспечивается в случае выполнения нижней стороны ГБМ с пирамидами 4, имеющими высоту h₁, площадь S₁ основания и угол α₁ наклона боковых граней.

Таблица 2 Результаты вычислений сравнительной устойчивости ГБМ уложенного на легкоразмываемый грунт Расчетный параметр ГКМ-С ГБМ-А-120низ ГБМ-А-30низ Площадь миделевого сечения, S, м² 0,0199 0,0084 0,030 Средняя длина погруженной в грунт части бетонного блока, L, м 0,265 0,250 0,280 Глубина погружения в грунт бетонного блока, t, м 0,075 0,120 0,030 Сила тяжести бетонного блока, G, кг 25,17 22,03 22,03 Архимедова сила, P_a, кг 10,42 9,12 9,12 Сила пассивного отпора грунта, F_гр, кг 31,00 51,17 11,95 Предельная скорость потока, способная сместить ГБМ, U_cp, м/с 6,97 13,3 3,83

Таблица 3 Результаты вычислений сравнительной устойчивости ГБМ, уложенного на трудноразмываемый грунт Расчетный параметр ГБМ-С ГБМ-А-120низ ГБМ-А-30низ Площадь миделевого сечения, S, м² 0,03975 0,0384 0,0384 Площадь соприкосновения бетонного блока с подстилающим грунтом, S_c, м² 0,0529 0,04 0,0686 Сила тяжести бетонного блока, G, кг 25,17 22,03 22,03 Архимедова сила, P_a, кг 10,42 9,12 9,12 Сила гидростатического давления воды на бетонный блок при H=2 м, P, кг 105,8 80,0 135,2 Предельная скорость потока, способная сместить ГБМ, U_cp, м/с 4,03 3,60 4,54

Как видно из таблицы 2, ГБМ-А, уложенный на грунт стороной с пирамидами 5 (ГБМ-А-120низ), благодаря форме своих блоков погружается в легкоразмываемую донную поверхность (например, песчаный грунт) существенно больше, чем если бы он был уложен на грунт своей стороной с пирамидами 4 (ГБМ-А-30низ), и чем ГБМ-С. Погружение ГБМ-А-120низ имеет характер самопогружения (самозаглубления), данный эффект наблюдается на очень рыхлых грунтах, когда ГБМ практически сразу погружается в грунт под действием своего веса, а на более плотных грунтах эффект самопогружения связан с процессом вымывания частиц грунта потоком воды, циркулирующим в свободном пространстве между блоками. Одновременно с вымыванием частиц грунта происходит погружение блоков в грунт под действием силы тяжести. В процессе вымывания частиц грунта и погружения бетонных блоков в грунт пространство между бетонными блоками уменьшается, а размыв грунта практически полностью прекращается. Процесс самопогружения ГБМ показан на фиг.3. В погруженном положении площадь контакта ГБМ-А-120низ с грунтом оказывается самой большой, а следовательно, и максимальна предельная скорость потока, способная сместить ГБМ, что характеризует надежность его сцепления с грунтом как существенно повышенную по сравнению с ГБМ-С.

Согласно данным из таблицы 3, ГБМ-А, уложенный на трудноразмываемый грунт (например, глинистый или покрытый синтетической тканью, предохраняющей поверхность от размыва) стороной с пирамидами 4 (ГБМ-А-30низ), обладает наибольшей площадью соприкосновения с подстилающим грунтом. В данном случае эффект самопогружения не наблюдается, однако при данных условиях реализуется эффект присасывания ГБМ к донной поверхности. Эффект присасывания обусловлен тем, что микродеформация защищаемой поверхности перекрывает все неровности поверхности ГБМ и препятствует воздействию гидростатического давления воды на блоки ГБМ снизу. Проявление данного эффекта возможно даже на скальных грунтах. В результате величина предельной скорости потока, способной сместить ГБМ-А-30низ, имеет наибольшее значение, по сравнению с ГБМ-А-120низ и ГБМ-С. Таким образом, в данном случае ГБМ-А также имеет более надежное сцепление с донной поверхностью по сравнению с ГБМ-С. Для усиления эффекта присасывания на всех или только на части блоков 1 со стороны оснований большей площади S выполняют выемки-присоски 7.

Таким образом, асимметричные ГБМ более универсальны по сравнению с симметричными ГБМ и применимы для защиты как легко-, так и трудноразмываемых грунтов, обеспечивая надежное сцепление с донной поверхностью.

Первый вариант способа укладки ГБМ с асимметричными блоками на донную поверхность водотока осуществляют следующим образом.

Предварительно вычисляют величину неразмывающей скорости для данного участка водотока по любой известной в области гидротехники методике. Затем очищают грунт донной поверхности водотока от мешающих укладке ГБМ объектов, при необходимости вынимают часть грунта донной поверхности водотока земснарядом, также при необходимости укладывают противосуффозионное устройство из геотекстильного материала, предназначенное для защиты данной поверхности от размыва. После чего при помощи автотехники перемещают ГБМ к месту установки. Грузоподъемным краном захватывают ГБМ за монтажные петли 3, причем ГБМ ориентируют по отношению к донной поверхности одной или другой его стороной, в зависимости от вычисленной ранее величины неразмывающей скорости для данного участка водотока.

Если скорость течения воды в водотоке превышает величину неразмывающей скорости для данного участка водотока или если характеристики грунта донной поверхности достаточны для самопогружения ГБМ в грунт под действием собственного веса, то ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной с большей проникающей способностью (с пирамидами 5 в случае блоков 1, показанных на фиг.2). Данное ориентирование ГБМ тем более целесообразно, если одновременно выполняются оба указанных условия.

Если характеристики грунта донной поверхности достаточны для погружения ГБМ в грунт под действием дополнительного усилия, то ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной с большей проникающей способностью (с пирамидами 5 в случае блоков 1, показанных на фиг.2), прилагают к наружной поверхности ГБМ дополнительное усилие и вдавливают ГБМ в грунт. Прилагаемое к наружной поверхности ГБМ дополнительное усилие создают при помощи, например, строительного вибратора, а вдавливание ГБМ в грунт реализуют благодаря вибропогружению его бетонных блоков.

Если скорость течения воды в водотоке не превышает величину неразмывающей скорости для данного участка водотока или если характеристики грунта донной поверхности не достаточны для самопогружения ГБМ в грунт под действием собственного веса, то существенное заглубление блоков ГБМ не может произойти, поэтому ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной с меньшей проникающей способностью (с пирамидами 4 в случае блоков 1, показанных на фиг.2), так как при этом будет реализован эффект присасывания к донной поверхности.

На практике целесообразно ориентировать ГБМ к донной поверхности стороной с большей проникающей способностью при превышении течением воды в водотоке величины неразмывающей скорости для данного участка водотока как минимум в 1,2 раза или если характеристики грунта донной поверхности достаточны для самопогружения ГБМ в грунт под действием собственного веса не менее чем на 20% от полный высоты блоков, и тем более при одновременном выполнении данных условий, так как в этих случаях сцепление ГБМ с донной поверхностью произойдет относительно быстро и будет достаточно надежно.

Укладка ГБМ завершается тем, что его опускают на донную поверхность и освобождают от такелажных средств грузоподъемного крана.

В любом из перечисленных случаев обеспечивается надежное сцепление ГБМ с донной поверхностью.

Второй вариант способа укладки ГБМ с асимметричными блоками на донную поверхность водотока осуществляют в общем так же, как и первый вариант способа, за исключением того, что не вычисляют величину неразмывающей скорости для данного участка водотока, а решение относительно того, какой стороной ориентировать ГБМ вниз, по направлению к донной поверхности, принимают исходя из типа грунта, для чего предварительно проводят его исследование.

В случае, если донная поверхность образована преимущественно скальными, полускальными или глинистыми грунтами, то ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной, на которой блоки имеют основания плоской формы и большей площади в плане по сравнению с противоположной стороной (то есть с пирамидами 4 в случае блоков 1, показанных на фиг.2, 4 и 5), для того, чтобы закрепить ГБМ используя эффект присасывания.

Если донная поверхность образована преимущественно песчанистыми или крупнообломочными грунтами, то следует закрепить ГБМ в донной поверхности используя эффект самопогружения, поэтому ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной, на которой блоки имеют основания меньшей площади в плане или выполнены без оснований (то есть с пирамидами 5 в случае блоков 1, показанных на фиг.2, 4 и 5), то есть обладают большей проникающей способностью.

Если донная поверхность водотока содержит в основном илы, сапропели, заторфованные грунты или торфы, то ГБМ ориентируют к донной поверхности любой его стороной. Характеристики перечисленных грунтов позволят ГБМ достаточно заглубиться при любом его положении и иметь надежное сцепление с донной поверхностью.

В результате, надежное сцепление ГБМ с донной поверхностью также обеспечивается для любого типа грунта.

Первый вариант ГБМ осуществляется следующим образом.

ГБМ содержит бетонные блоки 1, связанные между собой порядно и в рядах по меньшей мере одним соединительным элементом, причем поверхности у блоков 1 с верхней и нижней стороны ГБМ выполнены преимущественно сужающимися по направлению от центральной части блоков, а основания блоков имеют плоскую форму с одной или с обеих сторон ГБМ (фиг.4 и 5).

В частных случаях соединительные элементы, представляют собой замоноличенные канаты (тросы) 2 из металла или синтетического материала, свободные части которых образуют монтажные петли 3. При изготовлении между блоками 1 оставлен зазор, обеспечивающий ГБМ гибкость.

Выполнение поверхностей у блоков 1 с верхней и нижней стороны ГБМ преимущественно сужающимися по направлению от центральной части блоков достигается, например, если блоки 1 состоят из двух тел конической (круговой конус) или более двух тел пирамидальной формы с острыми или скругленными ребрами, сопряженных своими большими основаниями в плоскости 6 (фиг.4). Блоки, образованные из пирамид 4 и 5, являются асимметричными относительно плоскости 6 общего основания пирамид 4 и 5. Основания данных блоков имеют плоскую форму с обеих сторон ГБМ благодаря тому, что пирамиды 4 и 5 являются усеченными. На фиг.5 показан пример блоков 1, имеющих только одно основание из-за того, что одна из двух образующих блок пирамид, - 5, не является существенно усеченной (небольшое округление вершины пирамиды, практически не влияющее на проникающую способность блоков ГБМ в грунт, выполняют в целях безопасности эксплуатации ГБМ).

Асимметричность блоков 1 необходима для надежного их сцепления с защищаемыми донными поверхностями любого типа: для укладывания ГБМ на рыхлые поверхности с самопогружением в них предназначена сторона ГБМ с высокой проникающей способностью в грунт, а для укладывания ГБМ на плотные поверхности с присасыванием к ним, предназначена сторона с большей площадью оснований блоков 1.

Причем оптимальную асимметричную форму должны иметь многие блоки в ГБМ, иначе достижение надежного сцепления блоков оптимальной формы с грунтом может не быть достигнуто из-за неподходящей формы соседних с ними блоков, или даже если хорошее сцепление таких блоков с грунтом достигнуто, общее сцепление ГБМ с донной поверхностью может быть слабым из-за малого числа точек хорошего сцепления с грунтом. Для определения сцепления ГБМ с грунтом необходимо исходить из средних величин, характеризующих форму блоков, а не одного блока, так как ГБМ образован их совокупностью, а форма и размер у всех блоков 1 в ГБМ на практике не всегда совпадают.

Установлено, что высокая надежность сцепления ГБМ с защищаемыми донными поверхностями любого типа достигается, если при выполнении блоков 1 с основаниями плоской формы с обеих сторон ГБМ выполняются условия (1), (2) и (3), а при выполнении блоков с основаниями только с одной стороны ГБМ высокая надежность сцепления ГБМ с защищаемыми донными поверхностями любого типа достигается, если выполняются условия (9) и (10).

Наибольшая надежность сцепления ГБМ с донной поверхностью достигается, если выполнено условие (11) или (12).

Также максимальная надежность сцепления ГБМ с донной поверхностью достигается в случаях, когда выполнены условия (13), (14) и (15).

Причем с указанными характеристиками должно быть выполнено не менее 50% блоков, входящих в состав ГБМ, по причинам, указанным ранее.

В последующих примерах дано пояснение последовательности вычислений, причем конкретные численные значения величин являются условными и приведены только для иллюстрации и никак не ограничивают возможные конструкции устройства.

Пример 2. ГБМ содержит 20 блоков трех типов с наклонными гранями и небольшим округлением ребер. Данная форма хорошо аппроксимируется пирамидами.

Габаритные размеры вершин блоков с одной стороны ГБМ составляют примерно 200×200 мм для блоков первого типа (10 шт.), 220×190 мм для блоков второго типа (5 шт.) и 180×190 мм для блоков третьего типа (5 шт.).

Габаритные размеры вершин блоков с противоположной стороны ГБМ составляют примерно 260×260 мм для блоков первого типа, 280×250 мм для блоков второго типа и 240×250 мм для блоков третьего типа.

Принимаем за первую сторону ГБМ ту сторону, на которой габаритные размеры вершин блоков являются наибольшими.

Подставляем значения в выражение (4):

В результате получаем:

Аналогично проводим вычисления для противоположной стороны ГБМ:

Вычисляем отношение полученных величин:

Таким образом, для данного ГБМ условие (1) выполнено.

Блоки с первой стороны ГБМ имеют следующие высоты (мм): 30, 28, 25, 31, 29, 30, 35, 35, 34, 30, 30, 30, 31, 27, 30, 29, 26, 33, 31 и 25.

Со второй стороны ГБМ блоки имеют следующие высоты (мм): 120, 121, 118, 117, 120, 122, 119, 188, 120, 120, 120, 125, 130, 122, 123, 119, 118, 120, 122, 121.

Используя выражение (5), получаем:

Составляем аналогичное выражение для противоположной стороны ГБМ и решаем его.

Затем определяем отношение полученных величин:

То есть, для данного ГБМ условие (2) также выполнено.

Для проверки условия (3) вычислим средние для всего ГБМ величины углов наклона боковой поверхности блоков с каждой стороны ГБМ.

Сначала рассмотрим первый блок.

Данный Блок имеет сложную форму и аппроксимируется двумя пирамидами с первой стороны ГБМ и одной пирамидой со второй его стороны (фиг.4).

Каждая из двух пирамид с первой стороны ГБМ имеет по 4 грани. Первая пирамида имеет следующие углы наклона свои граней: 33,69°, 33,0°, 33,1° и 32,5°. Вторая пирамида имеет грани с углами наклона: 33,9°, 33,2°, 32,1° и 32,4°.

Используя выражение (7) получаем:

Аналогичные вычисления проводим в отношении всех блоков ГБМ и получаем значения для каждой стороны каждого блока.

(градусы): 32.99, 32.74, 32.90, 33.01, 33.00, 32.90, 33.9, 32.69, 32.89, 33.12, 32.92, 33.21, 32.94, 32.98, 33.03, 33.08, 32.78, 33.06, 32.82, 32.97.

После чего используем выражение (6):

Аналогично находим множество

В результате устанавливаем, что

Подставляем полученные значения в выражение (3).

Таким образом, данный ГБМ соответствует всем условиям, необходимым для его надежного сцепления с донной поверхностью любого тина.

Однако для данного ГБМ выполняются также условия (11), (13)-(15), а значит степень надежности его сцепления с донной поверхностью любого типа близка к максимальному значению благодаря общей оптимальности формы блоков ГБМ.

Пример 3. ГБМ содержит блоки обтекаемой формы без выраженных плоских боковых граней. Конкретно для данной формы больше всего подходит аппроксимация с каждой стороны одним круглым конусом.

Отличие в вычислениях для данного случая заключается только в методе нахождения значений .

Измеряем угол раствора конуса между двумя противоположными образующими конуса. Данное измерение проводится в плоскости, в которой лежат две образующие конуса и его ось.

Если конус имеет правильную форму, то одного измерения достаточно. Однако на практике целесообразно проводить дополнительные измерения для повышения точности результата.

Поверхность конуса в данном случае считаем близкой к правильной форме, поэтому ограничимся только тремя дополнительными измерениями. Измеряем угол раствора конуса со смещением на 45°, 90° и 135°, относительно плоскости, в которой было проведено первое измерение.

В результате измерений получены следующие значения (градусы): 65,18, 65,44, 65,88 и 66.6.

Подставляем измеренные значения в выражение (8) и получаем следующее.

Затем так же находим значения для второй стороны данного блока и повторяем данную операцию для всех остальных блоков ГБМ.

Вычисления соответствующих величин в случае выполнения блоков только с одним основанием, а также для второго, третьего и четвертого вариантов ГБМ проводятся аналогично. Если в результате будет установлено соответствие ГБМ условиям (16), (22) и (28), то такой ГБМ следует считать пригодным для использования в условиях, где требуется повышенная надежность сцепления ГБМ с защищаемыми донными поверхностями любого типа. А если будет установлено соответствие ГБМ условиям (18)-(21), (24)-(27) или (31)-(34), то степень надежности сцепления данного ГБМ с защищаемыми донными поверхностями любого типа, как показали исследования, близка к наибольшей своей величине.

Изобретение относится к гидротехническому строительству. Способ включает ориентирование гибкого бетонного мата (ГБМ) по отношению к донной поверхности одной или другой его стороной в зависимости от типа грунта. Способ укладки ГБМ по первому варианту включает ориентирование ГБМ к донной поверхности стороной с большей проникающей способностью при превышении течением воды в водотоке величины неразмывающей скорости для данного участка водотока и/или если характеристики грунта донной поверхности достаточны для самопогружения ГБМ в грунт под действием собственного веса. В противном случае ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной с меньшей проникающей способностью. Способ укладки ГБМ по второму варианту в случае, если донная поверхность образована преимущественно скальными, полускальными или глинистыми грунтами включает ориентирование ГБМ к донной поверхности стороной, на которой блоки имеют основания плоской формы и большей площади в плане по сравнению с противоположной стороной. В случае, если донная поверхность образована преимущественно песчанистыми или крупнообломочными грунтами, то ориентирование ГБМ к донной поверхности осуществляют стороной, на которой блоки имеют основания меньшей площади в плане или выполнены без оснований. В случае, если донная поверхность водотока содержит в основном илы, сапропели, заторфованные грунты или торфы, то ГБМ ориентируют к донной поверхности любой его стороной. Гибкий бетонный мат содержит бетонные блоки, связанные между собой порядно и в рядах по меньшей мере одним соединительным элементом. Поверхности у данных блоков с верхней и нижней стороны ГБМ выполнены преимущественно сужающимися по направлению от центральной части блоков. Основания блоков имеют плоскую форму с одной или с обеих сторон ГБМ. Отношения средних величин площади оснований, высоты блоков и углов наклона боковой поверхности блоков должны соответствовать приведенным в формуле изобретения закономерностям. Коэффициент асимметрии между сторонами ГБМ превышает или равен 1,05. Повышена надежность сцепления ГБМ с защищаемыми донными поверхностями любого типа. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл., 3 пр.

1. Способ укладки гибкого бетонного мата (ГБМ) с асимметричными блоками на донную поверхность водотока, включающий ориентирование ГБМ по отношению к донной поверхности одной или другой его стороной и последующее размещение ГБМ на донной поверхности, отличающийся тем, что
при превышении течением воды в водотоке величины неразмывающей скорости для данного участка водотока и/или если характеристики грунта донной поверхности достаточны для самопогружения ГБМ в грунт под действием собственного веса, ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной с большей проникающей способностью,
в противном случае ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной с меньшей проникающей способностью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной с большей проникающей способностью при превышении течением воды в водотоке величины неразмывающей скорости для данного участка водотока как минимум в 1,2 раза, и/или если характеристики грунта донной поверхности достаточны для самопогружения ГБМ в грунт под действием собственного веса не менее чем на 20% от полной высоты блоков.

3. Способ укладки гибкого бетонного мата (ГБМ) с асимметричными блоками на донную поверхность водотока, включающий ориентирование ГБМ по отношению к донной поверхности одной или другой его стороной и последующее размещение ГБМ на донной поверхности, отличающийся тем, что
если донная поверхность образована преимущественно скальными, полускальными или глинистыми грунтами, то ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной, на которой блоки имеют основания плоской формы и большей площади в плане по сравнению с противоположной стороной,
если донная поверхность образована преимущественно песчанистыми или крупнообломочными грунтами, то ГБМ ориентируют к донной поверхности стороной, на которой блоки имеют основания меньшей площади в плане или выполнены без оснований,
или, если донная поверхность водотока содержит в основном илы, сапропели, заторфованные грунты или торфы, то ГБМ ориентируют к донной поверхности любой его стороной.

4. Гибкий бетонный мат (ГБМ), содержащий бетонные блоки, связанные между собой порядно и в рядах по меньшей мере одним соединительным элементом, причем поверхности у данных блоков с верхней и нижней стороны ГБМ выполнены преимущественно сужающимися по направлению от центральной части блоков, а основания блоков имеют плоскую форму с одной или с обеих сторон ГБМ, характеризующийся тем, что если основания блоков имеют плоскую форму с обеих сторон ГБМ, то



где - средняя для всего ГБМ величина площади оснований блоков с первой стороны ГБМ;
- средняя для всего ГБМ величина площади оснований блоков со второй (противоположной) стороны ГБМ;
- средняя для всего ГБМ величина высоты блоков со второй стороны ГБМ;
- средняя для всего ГБМ величина высоты блоков с первой стороны ГБМ;
- средняя для всего ГБМ величина угла наклона боковой поверхности блоков с первой стороны ГБМ;
- средняя для всего ГБМ величина угла наклона боковой поверхности блоков со второй стороны ГБМ;
определяемые как

где S₁ - площади оснований блоков с первой стороны ГБМ;
S₂ - площади оснований блоков со второй (противоположной) стороны ГБМ;
N - общее число блоков в ГБМ;

где h₁ - высота части блока, расположенной с первой стороны ГБМ;
h₂ - высота части блока, расположенной со второй стороны ГБМ;
N - общее число блоков в ГБМ;

где - средние величины углов наклона боковых поверхностей блока, расположенных с первой стороны ГБМ;
- средние величины углов наклона боковых поверхностей блока, расположенных со второй стороны ГБМ;
если поверхность блока аппроксимируют пирамидами, то

где γ_p - угол наклона грани пирамиды;
n - общее число граней в пирамидах с одной стороны блока;
если поверхность блока аппроксимируют круговым конусом или конусами, то

где γ_c - угол раствора конуса, измеряемый между двумя противоположными образующими конуса или конусов;
P - общее число равномерных поворотов вокруг оси конуса при измерении данных углов;
N - общее число блоков в ГБМ;
а при выполнении блоков с основаниями только с одной стороны ГБМ

где - средняя для всего ГБМ величина высот блоков со стороны оснований блоков;
- средняя для всего ГБМ величина высот блоков со стороны, на которой у блоков отсутствуют основания;
и

где - средняя для всего ГБМ величина углов наклона боковой поверхности блоков со стороны с основаниями;
- средняя для всего ГБМ величина углов наклона боковой поверхности блоков со стороны, на которой у блоков отсутствуют основания;
причем

где h₃ - высота части блока, расположенной с первой стороны ГБМ;
h₄ - высота части блока, расположенной со второй стороны ГБМ;
N - общее число блоков в ГБМ;

где - средние величины углов наклона боковых поверхностей блока, расположенных с первой стороны ГБМ;
- средние величины углов наклона боковых поверхностей блока, расположенных со второй стороны ГБМ;
если поверхность блока аппроксимируют пирамидой или пирамидами, то

где γ_p - угол наклона грани пирамиды;
n - общее число граней в пирамиде или пирамидах с одной стороны блока;
если поверхность блока аппроксимируют круговым конусом или конусами, то

где γ_c - угол раствора конуса, измеряемый между двумя противоположными образующими конуса или конусов;
P - общее число равномерных поворотов вокруг оси конуса при измерении данных углов;
N - общее число блоков в ГБМ.

5. Мат по п.4, отличающийся тем, что блок образован из двух тел пирамидальной или конусообразной формы, являющихся усеченными и сопряженных своими большими основаниями.

6. Мат по п.4, отличающийся тем, что

или

7. Мат по п.4, отличающийся тем, что



причем с указанными характеристиками выполнено не менее 50% блоков, входящих в состав ГБМ.

8. Гибкий бетонный мат (ГБМ), содержащий бетонные блоки, соединенные между собой порядно и в рядах по меньшей мере одним замоноличенным канатом или тросом, образованные из тел конусообразной формы, являющихся усеченными и сопряженных своими большими основаниями, отличающийся тем, что
ξ≥1,05
где ξ - коэффициент асимметрии между сторонами ГБМ;
причем

где - средняя для всего ГБМ величина площади оснований и/или углов наклона боковых поверхностей блоков для первой стороны ГБМ;
- средняя для всего ГБМ величина площади оснований и/или углов наклона боковых поверхностей блоков для второй (противоположной) стороны ГБМ;
определяемые как

где S_θ,δ - площади противолежащих оснований блока;
N - общее число блоков в ГБМ;
и/или

где β_θ,δ - средние величины углов наклона противолежащих боковых поверхностей блока, определяемые для блоков в форме круговых конусов по выражению

где γ_c - угол раствора конуса, измеряемый между двумя противоположными образующими;
P - число равномерных поворотов вокруг оси конуса при измерении данных углов;
N - общее число блоков в ГБМ.

9. Мат по п.8, отличающийся тем, что

где - средняя для всего ГБМ величина высоты блоков с первой стороны ГБМ;
- средняя для всего ГБМ величина высоты блоков со второй стороны ГБМ;
вычисляемые по выражению

где h_θ,δ - высоты противолежащих частей блока;
N - общее число блоков в ГБМ.

10. Мат по п.8, отличающийся тем, что
1,1≤ξ≤1,75.

11. Мат по п.8, отличающийся тем, что
1,2≤ξ≤1,5.

12. Мат по п.8, отличающийся тем, что
1,75≤ξ≤2,5.

13. Гибкий бетонный мат (ГБМ), содержащий бетонные блоки, соединенные между собой порядно и в рядах по меньшей мере одним замоноличенным канатом или тросом, образованные преимущественно из двух тел пирамидальной или конусообразной формы, являющихся усеченными и сопряженных своими большими основаниями, отличающийся тем, что
ξ_α≥1,05
где ξ_α - коэффициент асимметрии между сторонами ГБМ;
причем

где - средняя для всего ГБМ величина площади оснований и/или углов наклона боковых поверхностей асимметричных блоков для первой стороны ГБМ;
- средняя для всего ГБМ величина площади оснований и/или углов наклона боковых поверхностей асимметричных блоков для второй стороны ГБМ;
определяемые как

где - площади противолежащих оснований асимметричного блока;
N_α - общее число асимметричных блоков в ГБМ;
и/или

где - средние величины углов наклона противолежащих боковых поверхностей асимметричного блока, определяемые для блоков в форме пирамид по выражению

где γ_p - угол наклона грани пирамиды;
n - общее число граней в пирамиде асимметричного блока;
а для блоков в форме круговых конусов по выражению

где γ_c - угол раствора конуса, измеряемый между двумя противоположными образующими;
P - число равномерных поворотов вокруг оси конуса при измерении данных углов;
N_α - общее число асимметричных блоков в ГБМ.

14. Мат по п.13, отличающийся тем, что

где - средняя для всего ГБМ величина высоты асимметричных блоков с первой стороны ГБМ;
- средняя для всего ГБМ величина высоты асимметричных блоков со второй стороны ГБМ;
вычисляемые по выражению

где - высоты противолежащих частей асимметричного блока;
N_α - общее число асимметричных блоков в ГБМ.

15. Мат по п. 13, отличающийся тем, что
1,15≤ξ_α≤1,8.

16. Мат по п.13, отличающийся тем, что
1,25≤ξ_α≤1,55.

17. Мат по п.13, отличающийся тем, что
1,8≤ξ_α≤2,55.