Содержание к диссертации
Введение
1. Мостостроение в российской федерации и перспективы его развития на реках Сибири 9
1.1. Мостостроение в Российской Федерации и его будущее в Сибири на ближнюю и дальнюю перспективу 10
1.2. Негативные последствия ошибок и упущений при строительстве и эксплуатации мостовых переходов 16
2. Исследования влияния мостовых переходов на устойчивость русла и ледовые явления 29
2.1. Прогнозирование процессов меандрирования, развития проток и движения побочней при проектировании мостовых переходов 30
2.2. Ледовые заторы и зажоры, их предупреждение и пропуск льда через пролеты моста и водопропускные устройства 71
2.3. Комплексное воздействие течений, ветровых и судовых волн на берегозащитные сооружения у мостовых переходов 79
2.3.1. Волновой пакет 83
2.3.2. Волны на течении 86
2.3.3. Пример расчета высоты наката ветровой волны, измененной воздействием судна, на течении 93
2.4. Выводы 98
3. Особенности проведения мероприятий по обеспечению устойчивости русла при строительстве и эксплуатации мостовых переходов 100
3.1. Дноуглубление 100
3.2. Регуляционные сооружения и берегоукрепление 104
3.3. Ледотермические мероприятия 111
3.4. Охрана окружающей среды при производстве работ по возведению мостового перехода 113
4. Внедрение результатов исследований в практику производства работ по регулированию потока и пропуску льда через мостовые переходы 117
4.1. Мостовой переход автомагистрали «Байкал» через реку Обь 117
4.2. Комплекс железнодорожных и автомобильных мостов через реку Чумыш в районе поселка Тальменка и Средне-Сибирской линии Западно-Сибирской железной дороги 128
4.3. Положительные и отрицательные стороны выбора створа мостового перехода трансконтинентальных автомобильных и железнодорожных магистралей через реку Лену у г. Якутска 143
Заключение 156
Литература 159
- Негативные последствия ошибок и упущений при строительстве и эксплуатации мостовых переходов
- Ледовые заторы и зажоры, их предупреждение и пропуск льда через пролеты моста и водопропускные устройства
- Охрана окружающей среды при производстве работ по возведению мостового перехода
- Комплекс железнодорожных и автомобильных мостов через реку Чумыш в районе поселка Тальменка и Средне-Сибирской линии Западно-Сибирской железной дороги
Негативные последствия ошибок и упущений при строительстве и эксплуатации мостовых переходов
При перекрытии протоки ожидался размыв русла и о. Помазкин у правобережных устоев моста, насыпи подходов и регуляционных сооружений. Ниже по течению сосредоточение расхода в левом рукаве при высоких уровнях воды в настоящее время способствует активизации размыва правого вогнутого берега, смещению излучины вниз и изменению гидрологических условий перед действующим железнодорожно-автомобильным мостом. Последнее подтверждает предпочтительность мостового перехода с двумя отверстиями в обоих рукавах, так как он меньше затрагивает и изменяет естественное состояние русла и его переформирование.
Анализ русловых переформирований за период строительства моста (1990-1997 годы) подтвердил приведенный выше прогноз. Перекрытие протоки глухой дамбой уже к 1997 году привело к сосредоточению расхода воды и наносов в основном русле и усилило оползневые явления и разрушение берегов.
Русловые съемки Барнаульского технического участка, акты обследования Алтайского краевого комитета охраны природы (1990 г.) и оценка ситуации, выполненная заведующим гидрологической лаборатории Дъячковым В.Н. (1993 и 1994 годы) [20], показали, что берегоукрепительные работы были выполнены с отступлениями от проекта. Игнорирование русловых процессов и абразии берегов привело к тому, что за период строительства (10 лет) ситуация на р. Обь в районе строящегося мостового перехода значительно ухудшилась в результате, как естественного хода руслового процесса, так и под воздействием нескоординированной инженерной деятельности различных организаций. К концу 90-х динамическая ось потока сместилась к правому берегу в третий пролет, где на подходе снизу затоплена баржа. Первый и второй пролеты практически полностью оказались перекрыты песчаными отложениями (рис. 4). Кроме того, у опоры 1 не был срезан шпунт. Площадь живого сечения русла с октября 1991 г. по июль 1994 г в данном створе уменьшилась примерно на 15%, а уже к октябрю 1996 года - более чем на 50%. В результате этого скорость в створе моста возрастала в меженный период по сравнению с 1991 г. более чем в 2 раза. Это, в свою очередь, привело к интенсификации размыва дна у опоры 4.
Русловая съемка данного участка позволяет судить о плановом расположении отмелой части и зоны обсыхания песчаных отложений в зимний период (рис.4). Зона обсыхания занимает до 60 % от ширины русла реки в данном районе. Это свидетельствует о том, что в зимний период сток реки сосредотачивается в третьем пролете. Обсыхание мелководной левобережной части русла в зимний период привела к интенсификации размыва дна, главным образом у опоры 4.
В случае интенсивного шугообразования в осенний период, а зашутованность русла в отдельные годы достигает 80%, в створе мостового перехода может образоваться зажор, причем мощность и продолжительность этого явления определяется гидрометеорологическими особенностями года. По многолетним данным наблюдений продолжительность зажора составляет несколько дней. Значительные перепады уровня воды в русле реки в результате возникновения зажора, которые в отдельные годы достигали нескольких метров, в последующем могут привести к серьезным осложнениям в работе инженерных сооружений, расположенных, как выше (насосная станция первого городского водозабора), так и ниже местообразования зажора (речной вокзал), а также вызвать размыв дна у опоры 4.
В зимний период обсохшие левобережные песчаные отложения промерзают на значительную глубину. Вследствие этого в половодье первоначально при затоплении они не будут подвергаться размыву. Этот фактор может явиться причиной возникновения заторов льда в створе моста. Возникновение затора, в свою очередь, может привести к подтоплению п. Затон и усилению деформаций русла в третьем пролете.
В сложившихся условиях левобережные песчаные отложения усложняли условия судоходства, препятствуя подходу судов к речному вокзалу, а деформации незакрепленного пойменного берега в районе протоки Лапы повлекли за собой усугубление гидравлической обстановки ниже по течению -еще больший свал течения к левому берегу у железнодорожного моста.
Сказанное выше указывает на то, что неправильное проектное решение по осуществлению мостового перехода в районе г. Барнаула с устройством одного моста и перекрытием правобережной протоки глухой дамбой проявилось в усилении разрушения берега и привело к необходимости дополнительных отступлений от проекта. Отступления от технологии производства работ и небрежность в их выполнении создали ряд аварийных очагов, которые могут привести к весьма нежелательным последствиям. В частности, к числу таких грозящих авариями затопленных предметов следует отнести баржу грузоподъемностью 1 тыс. тонн и оставленный под водой у опоры 1 несрезанный шпунт, возвышающийся над гарантированной отметкой на 1 м.
Другим примером не самого удачного выбора трассы мостового перехода может служить створ моста через р. Обь обходной автодороги магистрали «Байкал» у г. Новосибирска, который был утвержден на основании проектных проработок АООТ "Гипротрансмост" и АО "ГипродорНИИ" с основной аргументацией, что дальний «северный» вариант обходной автодороги проходит на большом удалении от города и оказывает меньшее негативное влияние на население прилегающих территорий. Ближний «северный» вариант находится на расстоянии 5,2 км от существующего Димитровского моста (703,4 км от слияния рек Бии и Катуни), а его сухопутная часть попадает в пределы жилой территории города Новосибирска. «Южный» вариант был отвергнут по причине прохождения автодороги по территории города на протяжении до 10,7 км и большого негативного воздействия на экологические условия проживания населения, а также отторжения наибольшей площади ценных пахотных земель из всех рассмотренных вариантов (рис.5).
Ледовые заторы и зажоры, их предупреждение и пропуск льда через пролеты моста и водопропускные устройства
Вскрытие большинства сибирских рек сопровождается образованием заторов. Заторы льда, образующиеся на реках в весенний период, несут угрозу гидротехническим сооружениям, в том числе и опорам мостов. Затор льда представляет собой скопление льда в русле, вызывающее стеснение живого сечения потока и сопровождается подъемом уровня воды в створе образования и на выше расположенных участках русла. Наиболее мощные заторы образуются после холодной зимы при "дружном" формировании весеннего половодья. Кроме того, большинство рек Сибири течет с юга на север и на пути вскрытия встречает все более мощный ледяной покров, а таянье снеговой массы и вскрытие притоков вызывают подъем уровня воды [49]. Это приводит к тому, что движение волны половодья совершается быстрее продвижения весны по бассейну реки, вследствие чего сокращается продолжительность периода вскрытия рек, и весеннее половодье взламывает мощный ледяной покров, мало подверженный тепловым разрушениям.
Как правило, причиной образования затора служат затруднения в перемещении льда вниз по течению реки. К таким факторам относятся, как естественные, так и искусственные преграды. К естественным факторам относятся морфологические особенности русла, определяемые типом руслового процесса. В основном заторы образуются при наличии большого количества ледового материала на крутом повороте реки в сочетании с сужением русла, на многорукавных участках русла, либо в устьях притоков. Определиться с точным местоположением затора достаточно трудно, так как это связано с гидрометеорологическими условиями осенне-весеннего периода. Поэтому, процессу заторообразования присущ элемент неопределенности, когда затор может сформироваться в любом из мест, где есть предпосылки для подобного явления. В этом и заключается основная трудность прогноза образования затора и высоты заторного подъема уровня воды, исходя из естественных условий формирования потока.
Другой причиной возникновения заторов является антропогенный фактор, к которому можно отнести строительство ГЭС, мостовых переходов, регуляционных сооружений и т.п.
При продолжительном стоянии низкой температуры воздуха непосредственно в зоне мостового перехода образуется достаточно прочное ледяное поле, связанное с опорами моста, что оказывается одним из основных условий образования затора. В этой связи наиболее опасными оказываются обводненные пески, которые промерзают достаточно глубоко, образуя плотный грунт, мало подверженный размыву. При подъеме уровня воды живое сечение потока в створе оказывается ограниченным, как по ширине, так и по глубине, что приводит к интенсивным подъемам уровня воды.
В случае если поток "использует" в меженный период лишь несколько пролетов моста, то есть к моменту наступления низких температур заполняется не все живое сечение русла, то в весенний период в створе моста могут произойти русловые переформирования, приводящие к возникновению затора. При подъеме уровня воды в створе моста ледовый покров не разрушается, а воспринимает на себя давление ледового поля. Ниже моста, где не происходит стеснения потока, ледовый покров быстро разрушается и поверхность потока очищается от льда. Выше моста подъем уровня воды идет интенсивно до нескольких десятков сантиметров в час, что характерно для любого затора [49]. В естественных условиях это обычно происходит медленнее. Так в районе города Якутска в 1962 году произошел затор, подъем уровня воды при котором за 7 дней с момента подвижек льда до пика составил 12 метров. Если же причиной затора является мостовой переход, то подъем уровня воды протекает гораздо быстрее, как в истоке реки Ниагары в 1938 году, где в течение дня подъем составил 15 метров.
Так как на начальной стадии затора лишь русловая часть реки оказывается забита ледовым материалом, то при подъеме уровня поток ищет обходной путь и, используя пойменную часть, обходит затор, разрабатывая новую протоку. Это может привести к тому, что при спаде уровня воды основное русло оказывается заполнена льдом, который поток не способен преодолеть, что приводит к интенсивным русловым переформированиям. "Старое" русло может оказаться в условиях, когда в него поступает лишь часть расхода, либо вообще может отмереть.
Если мостовой переход расположен на меандрирующей реке, как правило, либо в точке перегиба, либо на повороте русла, то это еще больше усложняет пропуск ледового материала. При расположении створа перехода на повороте русла влияние стеснения потока мостом наслаивается на увеличение шероховатости русла, что приводит к образованию мощного затора, влияние которого распространяется на много километров вверх по течению. Мост, расположенный в точке перегиба излучины, в основном оказывает влияние на движущееся ледовое поле, которое при подходе к створу мостового перехода оказывается в зоне влияние кривой подпора, что приводит к местному торможению потока и при достаточно крупных льдинах вызывает образование затора на повороте русла выше моста. Поток, не находя свободного пути, с подъемом уровня воды разливается по пойме, перекрытой сухопутными насыпями трассы, что подвергает их опасности разрушения. Кроме того, при подъеме воды ледяные поля разрушают берегоукрепление, выполненное из плит. Это происходит по причине того, что воспринимаемые ими усилия, возникающие при подъеме ледового покрова водой, оказываются существенно выше удерживающих. Разрушение берегоукрепительных конструкций довершает навал льда в процессе образования затора.
Если в качестве берегоукрепления используются сооружения из грунта струенаправляющего действия, то отметку их возведения необходимо назначать с учетом воздействия ледового поля [41]. Поэтому рекомендуется отметки голов этих сооружений делать затапливаемыми, чтобы они работали, как в затопленном, так и в незатопленном состоянии [13].
Охрана окружающей среды при производстве работ по возведению мостового перехода
Любое вмешательство человека, как своим непосредственным воздействием, так и последствиями, которые вызваны изменениями в окружающей среде, требуют детального прогнозирования еще на стадии проекта. Это особенно касается объектов, связанных с водной экосистемой, так как она является жизнеобразующей по своей природе. Речная система Сибири оказывается наиболее незащищенной, так как она охватывает огромные площади, которые не используются человеком для обитания, и проблемы экологической составляющей в этих районах проявляются лишь со временем.
Строительство любого гидротехнического объекта в пределах речной экосистемы оказывает влияние, как на вышележащие участки реки, так и на экосистему ниже по течению. Эти проблемы оказываются наиболее заметными лишь при строительстве крупных гидротехнических объектов, таких как гидроузлы или причалы портов с высоким грузооборотом. Здесь влияние столь крупных объектов на экосистему может наблюдать каждый: негативное влияние на сельскохозяйственное использование земель, вред рыбному хозяйству, заиление водохранилищ, эрозия берегов, стоки и т.д.
При строительстве же объектов, воздействие которых не проявляется столь явно на экологию русла и поймы, эти проблемы практически не решаются. К таким объектам можно отнести мостовые переходы, влияние которых на экологию не ограничивается районом строительства. Кроме того, необходимо учитывать, что мостовой переход наносит вред, как береговым экосистемам, так и гидробионтам, а также пойменной флоре и фауне речной долины [5].
При возведении мостовых переходов необходимо осуществлять работы таким образом, чтобы ущерб рыбному хозяйству был минимален, как в период строительства, так и в постстроительный период, а проведение дноуглубления и берегоукрепления должно проводится в предстроительный период при высоких расходах, чтобы исключить влияние на молодняк рыбы.
Впервые влияние на окружающую среду происходит в процессе строительства дорожной трассы на подходах к мостовому переходу, где приходится проводить интенсивную вырубку лесного парка. Это особенно проявляется при строительстве участка Прокудское-Сокур автодороги «Байкал», где вырублены просеки в Заелыдовском сосновом бору, относящемуся к лесопарковой зоне города Новосибирска. За период строительства разрушен почвенный и травяной покров поймы, вырублены кустарники и деревья, загрязнены угодья в местах расположения строительных площадок и при намыве подходной насыпи. Но это в основном относится к участкам надпойменных террас.
На самой пойме последствия строительства отражаются наибольшим образом, так как полное слияние этих участков с окружающей средой происходит наиболее длительный период. На большинстве рек с высокими уровнями стояния воды в период паводка происходит интенсивное заиление и заболачивание пойменных участков выше мостового перехода и обсыхание участков, расположенных ниже моста. Кроме того, нижележащие участки оказываются обделенными в поступлении наносов, которые интенсивно откладываются на вышележащих участках, что приводит к изменению баланса распределения питательных веществ по пойме. Непосредственно перед створом мостового перехода при сливе вод с поймы из-за большой скорости размывается плодородный слой почвы.
Строительство мостового перехода связано с возведением мостовых опор, при монтаже которых используются материалы и механизмы, которые приводят к местному загрязнению дна реки (тяжелыми металлами) и водной поверхности (горюче-смазочными материалами). Как правило, в период строительства используется техника, как по намыву, так и по удалению грунта, что приводит к местному повышению мутности и, как следствие, к ухудшению среды обитания гидробионтов. Для расчета зоны повышенной мутности необходимо пользоваться «Временными указаниями по оценки повышения мутности», выполненные на основе работ НИИВТа под руководством В.В. Дегтярева [11].
В процессе эксплуатации мостового перехода вблизи от створа мостового перехода происходит деформация свободной поверхности реки. Выше перехода по плавной выпуклой кривой образуется подпор, снижение скоростей течения реки и отложение наносов, в том числе плодородного ила. Это приводит к изменению водного режима участка. Образование местного размыва в створе перехода, который может достигать несколько метров, приводит к появлению новых зимовальных ям для молоди рыбы, которые подвергаются негативному воздействию при попадании дождевых вод, содержащих тяжелые металлы, с моста, а также при уборке снега. При этом дождевые стоки с моста, насыщенные вредными соединениями, смешиваются с наносами и откладываются на участке ниже моста [51] из-за пониженного скоростного режима..
Все это в основном сильно сказывается на миграционных процессах рыб и среде обитания поймы, где. изменение влажностного режима приводит к быстрому изменению окружающей среды.
В северных же районах строительство моста за счет высокой теплопроводности конструкций вызывает подтаивание мерзлотного слоя, что приводит к разрушению береговой полосы и смыву верхнего слоя плодородного грунта. Разрушение вечной мерзлоты приводит к местному обводнению территории.
При этом необходимо помнить и о том, что в период эксплуатации мостовой переход может оказаться причиной образования затора и, тогда для его ликвидации будет применена взрывчатка или бомбометание, что крайне нежелательно, так как при этом погибает большое количество рыбы.
Кроме того, необходимо учитывать скорости проходных и полупроходных рыб при меженном и высоких уровнях, распределение рыб по живому сечению русла и пойм, стесненных и нестесненных мостом, условия нагула, нереста и пути миграции рыб. Это позволит обосновать проектные решения по проведению дноуглубления на подходах к мосту, а также по допустимому сжатию водотока и по общей компоновке сооружений мостового перехода. Можно сделать вывод, что мостовые переходы должны проектироваться и строиться таким образом, чтобы ущерб рыбному хозяйству был минимален, а проведение дноуглубления и берегоукрепления должно проводиться в предстроительный период при высоких расходах, чтобы исключить влияние временного повышения мутности на молодняк рыбы.
Комплекс железнодорожных и автомобильных мостов через реку Чумыш в районе поселка Тальменка и Средне-Сибирской линии Западно-Сибирской железной дороги
В настоящий момент участок протяженностью в 10 км остается относительно стабильным. Сползание меандр вниз по течению не происходит из-за стеснения участка мостами и путевыми насыпями. При этом на всех излучинах зафиксировано активное искривление и разрушение берега, которые вызваны местными деформациями, связанными с прохождением паводка и ледохода. Особенно сильные изменения происходят на двух последних излучинах, непосредственно связанных с мостовым переходом.
Особое беспокойство вызывает четвертая излучина, которая стремительно меняется в последние годы, разрушая берегоукрепление, и старается выйти на пойму. Данная излучина имеет "сундучную" форму, которая характеризуется тем, что она сформирована следующими друг за другом вынужденными и адаптированными излучинами при относительной прямолинейности коренных берегов.
Пойма реки составляет около 20 км и ограничивается ярами высотой около 30 м, которые на данном участке идут прямолинейно на протяжении нескольких сот километров. Третья и четвертая меандры участка непосредственно связаны друг с другом и образуют единую структуру, в которой необходимо учитывать их взаимодействие.
В вершине третьей излучины с отметкой в 2,4 м от уреза воды, зафиксированной спустя месяц после прохождения первой волны половодья, отмечено разрушение береговой полосы. Это вызвано свалом течения в вершине излучины к левому берегу, что при высоких уровнях воды и вызывает подмыв берега с навалом ледового поля. Правый берег у излучины ограничен небольшим побочнем, который полностью порос ивняком и при низких отметках уровня в сочетании с побочнем у левого берега в верховой излучине вызывает перевал стрежня потока от левого берега у вершины нижней излучины к правому - у верхней. Таким образом, стрежень потока бьет в правый берег на начале поворота, что и зафиксировано как размыв, но этот процесс происходит при меженном уровне. При уровне половодья, когда побочни затоплены и не обладают струенаправляющим действием, перевала стрежня потока не наблюдается, а вся его сила из-за крутизны поворота направлена непосредственно в вершину излучины, от которой она отбивается и идет по направлению пролета между третьей и второй опорами. Казалось бы, что подобное направление потока должно вызвать сильный подмыв правого берега в вершине излучины - это действительно так, но крайне незначительно, так как при высоких уровнях за счет разлива потока его размывающая способность падает и направлена в основном на глубинные деформации. При меженных уровнях, после того как удар потока приходится в начало поворота и из-за сильного побочня с левого выгнутого берега, направление потока направлено на участок ниже вершины излучины, где и происходит основной подмыв берега в межень. В вершине излучины течение фактически отсутствует или имеет обратное направление - водоворот, который находится над омутом глубиной в 10-12 м. Далее поток идет непосредственно на третью опору, а ниже моста выравнивается и течет на протяжении километра прямолинейно.
В качестве створа при проектировании мостового перехода (747 км) это место было выбрано из-за его прямолинейности на протяжении 1,5 км (рис. 37). Пропуск воды предполагался через 4 и 5 пролеты. Но уже при строительстве, которое началось в 1959 году, произошло смещение оси потока, так как не были учтены возможные русловые процессы, и началось искривление верхнего участка перед мостом, которое вызвало размыв правого берега до 10 м в год. К моменту пуска моста в эксплуатацию - 1961 год - этот процесс приобрел необратимый характер, что уже к 1966 году привело к смещению русла в створе моста в 3 и 4 пролеты, а размыв правого берега за период проектирования и строительства составил 120 м, что хорошо видно на совмещенных планах (рис.
После этого эксплуатирующей организацией было принято решение вмешаться в дальнейший процесс меандрирования из-за опасности подмыва насыпи и прорыва потока через пойму в старицу. В качестве стабилизирующего мероприятия была принята прокладка спрямляющего канала через образовавшийся левобережный побочень с постройкой перед входом в него струенаправляющего сооружения в виде шпоры-полузапруды. Предполагалось перераспределить часть расхода из основного русла и добиться спрямления, но был достигнут прямо противоположный эффект. Все работы предполагалось провести в зимний период, но к паводку завершить строительство в полном объеме не удалось, была лишь закончена прокладка канала. В этот год расход половодья составил 1% обеспеченность, что вызвало еще больший размыв правого берега, а канал в его начальной части был полностью замыт. Запоздалая постройка шпоры на входе в канал вызвала еще большие деформации основного русла и усиление нижнего побочня третьей излучины. Размыв берега усилился и начал протекать по выше описанной схеме. Стрежень потока переместился во 2 и 3 пролеты.
В качестве следующей меры по защите берега был выбран комплекс мероприятий, включавших построение траверсы у моста и крепление дна русла елками. Это действительно остановило процесс глубинного размыва русла у мостовых опор 3 и 2, но перемещение правого берега не прекратилось, несмотря на отсыпку гравия вдоль берега. Что вызвало необходимость принятия кардинальных мероприятий. Для этой цели был выбран вариант крепления подмываемого берега и дна меандры железобетонными заанкероваными плитами, уложенными на хворостяной тюфяк с обсадкой ивняком, но процессы, влияющие на руслоформирование, вновь не были приняты во внимание. Это привело к тому, что в последующие годы продолжался подмыв правого берега в указанных выше местах, и это в свою очередь вызвало разрушение крепления, которое неоднократно восстанавливалось путем отсыпки камнем.
В 1979 годы были проведены первые мероприятия по описанию руслового процесса с целью обеспечения устойчивости берегоукрепительных сооружений и возможности проектирования выправительных работ на данном участке. Согласно основным выводам данной работы [30] следовало, что основной причиной разрушения берега является процесс свободного меандрирования русла р. Чумыш. Было вынесено предположение, что стабилизация потока в створе моста произойдет после естественного спрямления первой излучины, что вызовет образование длинного прямолинейного участка, который в свою очередь за счет энергии потока приведет к спрямлению и примостового участка. Срок спрямления был установлен в пределах 10 лет. Кроме того, в работе указывалось на негативное влияние ледохода, который вызывает разрушение крепления, и было рекомендовано проводить крепление из расчета возможной силы навала ледового поля.
