Дерево для гидротехнических сооружений

Использование древесины для гидротехнических сооружений в морской и пресной воде

Целью данной работы является показать использование древесины для строительных работ в пресной и морской воде. Дерево может помочь решению многих проблем, возникающих при сооружении доков, гаваней, причалов, обустройстве берегов, шлюзов и других связанных с водой конструкций. Если знать о тех опасностях, которым может подвергаться дерево у воды, и тщательно отбирать породы, наиболее подходящие для той или иной задачи, прочный и долговечный объект можно соорудить с относительно малыми издержками.
Основные гидротехнические конструкции, использование древесины для которых рассматривается в этой работе – это:
1) берегоукрепляющие сооружения на море, в реках и каналах;
2) причалы, пристани, пирсы, мостки, доки, ворота доков и шлюзов, и связанные с ними сооружения, например, причальные понтоны;
3) гавани для яхт и судов.

Свойства дерева как конструкционного материала

Наиболее важные для строительных целей механические свойства древесины обычно связываются с её текстурой. Этот термин широко используется и покрывает многие характеристики, такие, как размер и направление волокон, выраженность и ширину годовых колец, и ряд других. В случае силовых нагрузок на древесину наибольшей прочностью она обладает в направлении поперёк волокон, и тогда любые отклонения от расположения волокон, параллельных друг другу и перпендикулярных приложенной силе, ослабляют древесину. В случае же нагрузок на истирание или раскалывание спутанность древесных волокон, называемая также свилеватостью, оказывается преимуществом, так как повышает стойкость древесины к таким воздействиям.
Если влажность древесины опускается ниже 25-30%, её прочность начинает возрастать по мере уменьшения влажности. Но при использовании древесины для гидротехнических сооружений длительное понижение влажности ниже указанного уровня маловероятно, поэтому в данной работе мы исходим из показателей прочности для свежесрубленной древесины (влажность которой около 30%), а не древесины после сушки.
В большинстве пород различают ядровую и заболонную древесину. Первая обладает большей биологической, а часто – и механической стойкостью, и её следует предпочитать при проведении ответственных работ.
Дерево обладает, по сравнению с другими строительными материалами, рядом важных преимуществ: оно относительно лёгкое, имеет высокие показатели прочности для своей плотности, и легко обрабатывается. Всё это может быть особенно важно в случае строительства в труднодоступных местах. Кроме того, дерево – очень гибкий конструкционный материал. Внесение изменений в конструкцию из дерева или её ремонт обычно гораздо легче, чем для той же конструкции из других материалов. Это, в свою очередь, повышает общую сравнительную долговечность конструкций из дерева.
Дерево – достаточно вязкий материал и хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, частым в прибрежных и причальных зонах, а также в зонах погрузочно-разгрузочных работ.
Иногда плавучесть дерева может требовать специального дополнительного утяжеления полупогружённой конструкции для увеличения её остойчивости.

Использование дерева

Защита берегов рек

Быстрое течение воды, вызванное перепадами высот, сильными осадками, а на приморских участках – также движением приливных волн, вызывает береговую эрозию, которая особенно сильна в случае берегов, сложенных из мягких осадочных пород. На судоходных реках и каналах к воздействию природных факторов добавляется воздействие на берег волн от проходящих судов. Если такую эрозию не контролировать, разрушение берега может приводить к затоплению окрестностей и к заиливанию русла (а в конце концов – к его изменению и к наводнениям).
Формы защиты берега обычно соответствуют интенсивности движения по руслу. В верхнем течении, где могут плавать только лодки, часто используются такие меры, как берегоукрепляющие посадки или лёгкие конструкции, собранные из вязанок хвороста, иногда – плетней. Такие формы защиты являются недолговечны по природе. На больших реках и каналах с интенсивным судодвижением для защиты берега используются более капитальные сооружения. Обычно это частоколы из свай или системы из свай и связывающих их горизонтальных досок (для усиления – также и горизонтальных брусьев).
Так как вся древесина ниже уровня воды подвержена сильному риску загнивания, очень важно использовать для этих целей стойкие породы или предварительно обработанную предохраняющими составами древесину. В устьях впадающих в море рек надо учитывать возможность проникновения с приливом морских сверлильщиков.

Берегозащитные работы в море

Береговая линия морей постоянно изменяется, как за счёт работы прибоя и приливов, так и за счёт изменений уровня моря. Люди издавна стараются воспрепятствовать как размыванию побережий, так и заиливанию гаваней. Для удержания сыпучих материалов пляжей используются буны, волноотбойные, ветровые и подпорные стены. Их форма, длина и высота в значительной мере определяются особенностями их конкретного месторасположения.
Размывание берега происходит двумя основными способами. Во-первых, это перенос сыпучего материала вдоль береговой линии. Для предотвращения этого устанавливаются уходящие в море более-менее перпендикулярно берегу буны, длиной от 30 до 90 метров и на расстоянии от 50 до 150 м. Часто их дополнительно приходится укреплять с подветренной стороны, чтобы предотвратить опрокидывание из-за накопления сыпучего материала с наветренной стороны. В Сассексе и в Восточной Англии проводились опыты с проницаемыми бунами, хотя лабораторные исследования не смогли показать для них эффективность, сравнимую со сплошными бунами.
Во-вторых, это фронтальное размывание. Достаточно часто медленное накопление сыпучих материалов летом сочетается с сильным размыванием во время осенних штормов. В таких случаях эффективны волноотбойные стены или же подпорные стены, протянутые вдоль берега, уменьшающие штормовые размывы. Ветровые экраны (проницаемые) часто сочетают с бунами. Они располагаются вдоль линии берега и уменьшают вынос материала в море во время штормов. Но они снижают привлекательность песчаных пляжей. Подпорные стены – это непроницаемые барьеры, протянутые параллельно берегу и расположенные выше линии прибоя. Обычно они представляют собой двухрядный частокол с поперечным креплением и с забутованным промежутком между рядами кольев.
В Южной Англии, в зоне Ла-Манша, более характерно размывание берегов за счёт переноса материала течениями вдоль берега, в то время как берега Восточной Англии чаще затопляются в ходе фронтального размывания.

Причалы и пристани

Дерево может по-разному использоваться для причалов, но три основные его применения – это свайные опоры, причальные стенки (и привальные брусья) и настилы.

Сваи

Сваи и поперечные связки, выполненные из крупноразмерного массива дерева, широко применяются как в солёной, так и в пресной воде. Выбор очень часто определяется требуемой длиной. Специализированные фирмы могут поставить тёсаный брус длиной до 19 м или пиленный длиной до 18 м, а для круглых брёвен возможны и ещё большие длины. Но в настоящее время применение длинномеров более 9 м для постоянных конструкций ограничено по требованиям строительных нормативов. Если же проблема торцевого сращивания может быть удовлетворительно решена для данной конструкции, то список возможных к использованию пород значительно расширяется. Однако надо иметь в виду, что в условиях постоянно-переменного увлажнения, характерного для гидротехнических сооружений, к клееной древесине предъявляются очень высокие требования, которым удовлетворяет далеко не всякая технология склеивания. Это, в свою очередь, может сделать применение клееной древесины слишком дорогим. Тем не менее, например, некрашеные брусья квадратного сечения 75 мм из лиственных пород средней плотности, склеенные фенолформальдегидно-резорциновым клеем, показали только незначительное расслаивание после 10 лет службы в полупогружённом состоянии в морской воде.

Сваи делятся на опирающиеся на твёрдое основание (и расчёт таких свай ведётся так же, как и колонн) и на удерживающиеся в грунте за счёт трения своей боковой поверхности, при расчёте которых надо это учитывать. Нагрузки на сваи могут быть в общем разделены на три группы:
1) Нагрузка при забивании – деревянные сваи могут размочаливаться на торце или раскалываться. При уменьшении скорости соприкосновения молота со сваей эти риски снижаются – т.е. предпочтительнее медленные, но тяжёлые молоты (при той же нагрузке).
2) Нагрузки при эксплуатации – сюда в основном входят деформации на изгиб за счёт неравномерности нагрузки, несимметричности самой сваи и действия боковых сил (например, волн или навала судов на причал), а также на сжатие и растяжение, возникающие из действия всех этих сил. Тесты показывают, что древесина лучше переносит комбинированные нагрузки на сжатие и изгиб, чем можно было бы предположить из простого суммирования этих нагрузок. Т.е. незначительные несимметричности в конструкционных материалах не слишком ослабляют его сопротивляемость.
Для амортизации ударных воздействий на причальные конструкции при навале судов также часто используют дерево, так как остальные конструкционные материалы (камень, в т.ч. бетон, и металл) имеют низкую способность к упругой деформации.

Настилы

Дерево часто используется для сооружения настилов пристаней, причалов, пирсов и причальных понтонов. Дренирование таких площадок достигается за счёт промежутков между досками. Наиболее обычное сечение досок для таких настилов – 25 мм в толщину и 75-125 мм в ширину. Риску гниения подвержены не только настилы, но все части пристани над уровнем воды. Поэтому при их сооружении надо принимать в расчёт, что на горизонтальных поверхностях может задерживаться вода, и во избежание этого надо всегда предусматривать возможность для её стока. Вода также задерживается между деревянными поверхностями на их стыках, и в таких местах также следует стремиться предотвращать гниение, используя обработанную или природно-стойкую древесину.
Разные породы дерева, использованные в качестве настила, по-разному выдерживают поверхностное истирание в результате движения пешеходов и транспорта. Такие породы, как пихта Дугласа, канадская тсуга, европейская сосна, дабема могут использоваться только в местах с малой пешеходной нагрузкой. Жёлтая сосна, красное меранти, керуинг, билинга, ярра и карри, например, имеют достаточную стойкость к истиранию, чтобы использоваться для настилов в общем случае. В случае высокой проходимости (например, порядка 2000 человек в день по ясно определённым маршрутам), движения тяжёлых колёсных средств и ударных нагрузок (например, при выгрузке) рекомендуются такие породы, как дуб, денья, азобе, данта, тали, гринхарт, белиан и некоторые другие.

Причальные стенки

Дерево часто используется и для боковых причальных стенок. Основные требования к древесине в этом случае – вязкость: упругость, сжимаемость и стойкость к ударам и раскалыванию, и стойкость к истиранию. Так как статических нагрузок эти элементы не несут, они могут быть составными, клееными и т.п. – размер не так важен, как в случае опорных конструкций. Требуемые длины могут достигать 9 м, а сечения – 75х300 мм, 150х200 мм и т.д. до 300х300 мм. Требуемая стойкость к раскалыванию и истиранию часто коррелирует с высокой свилеватостью древесины, т.е. спутанностью древесных волокон. Поэтому из европейских пород для этих целей чаще всего используется вяз, а также дуб, пихта Дугласа, жёлтая сосна, билинга, азобе и денья. Причальный плот (понтон), расположенный у берега, подвергается в целом примерно тем же нагрузкам, что и причальная стенка, и поэтому к его материалу предъявляются сходные требования, плюс, конечно, он должен обеспечивать плавучесть. В лондонском порту причальные плоты трёх основных длин, 18, 14 и 9 метров, и в них успешно используются склеенные по три балки из пихты Дугласа сечением 600х600 мм. Балки могут быть собраны также на болтах или на шипах.

Кроме того, дерево традиционно используется и для ворот в шлюзах и доках. Срок службы таких ворот при надлежащем выборе породы около 30 лет, но многое зависит интенсивности использования и механических повреждений.

Соединения

Традиционно применяется следующие соотношения между толщиной скрепляемых деревянных элементов и диаметрами болтов (в мм):

 Толщина 75 150   225 300
Диаметр  16-22  22-32  32-44  44-63

Естественная стойкость некоторых пород древесины к биологическим воздействиям и механическому истиранию:

Название породы Стойкость к
гнили точильщикам истиранию
Пихта Дугласа умеренная нестойкая слабая
Лиственница европейская умеренная нестойкая слабая
Сосна европейская нестойкая нестойкая слабая
Балау стойкая умеренная    нормальная
Азобе    очень стойкая    очень стойкая сильная
Гринхарт очень стойкая очень стойкая сильная
Ипе очень стойкая нестойкая нормальная
Ироко стойкая умеренная нормальная
Ярра очень стойкая очень стойкая нормальная
Кемпас стойкая нестойкая нормальная
Керуинг умеренная умеренная сильная
Меранти красный стойкая стойкая нормальная
Дуб стойкая нестойкая сильная
Денья очень стойкая очень стойкая сильная
Билинга очень стойкая очень стойкая нормальная
Тали стойкая очень стойкая нормальная
Тик (Бирма) очень стойкая умеренная слабая