Введение к работе
Актуальность темы исследования. Рост антропогенных нагрузок на компоненты природы Юга России (вырубка лесов, снижение почти вдвое лесистости в бассейнах отдельных притоков, неумеренный выпас скота, рост количества лесных пожаров, добыча полезных ископаемых, строительных материалов, интенсивное энергетическое и водохозяйственное строительство), глобальные климатические изменения привели за последние 50 лет к увеличению годового количества осадков, росту паводковых расходов и объёмов твёрдого стока в бассейнах Верхней Кубани, Терека, Самура и др. рек.
Сток Верхней Кубани и её притоков формируется в основном в горной части Главного Кавказского хребта (площадь водосбора - 11,0 тыс. км ) и характеризуется большой внутригодовой неравномерностью: на четыре летних месяца (май - август) по реке перемещается 82..85 % воды от годового объёма стока, а в период зимней межени (декабрь - февраль) лишь 4..5%. Однако в многолетнем разрезе в маловодные годы сток Верхней Кубани обеспеченностью 90..95% снижается по сравнению со среднемноголетним объёмом на 15..20%(CV = 0,13).
Устройство гидроузлов в Усть-Джегуте (1962 г., площадь водосбора
9 "\
4,25 тыс. км , Qcp = 75,7 м /с) и в Невинномысске (1948 г., площадь водосбора
9 "\
11,0 тыс. км , Qcp =146 м/с) способствует транспортировке части стока Верхней Кубани в маловодные районы Ставрополья, обеспечивая командование над значительной территорией, - Кубань-Калаусская (БСК) и Кубань-Егорлыкская (Невинномысский канал) оросительно-обводнительные системы являются самотечными.
Однако 50-летний период эксплуатации Усть-Джегутинского гидроузла привел к тому, что русловое водохранилище заилено более чем на 80 %, пропускная способность катастрофического водосброса для расходов редкой повторяемости не обеспечивается, несущая способность элемента инженерной противопаводковой защиты левобережной дамбы, используемой в качестве транспортной магистрали, снижена. В паводок 2002 г. катастрофический водосброс пропустил расход на 18 % больше расчётного (QPC6 = 1440 м3/с Р = 0,1 %) на грани перелива через дамбы инженерной защиты, и аварии сооружения с трудом удалось избежать.
Диссертационная работа выполнена в рамках межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2006-2010 гг., а также в соответствии с тематическим планом важнейших НИР ФГБОУ ВПО «НГМА» (03.02.01.03).
Цель исследований: научное обоснование технических и технологических решений элементов систем противопаводковой защиты в верховьях реки Кубань.
Общая цель определила конкретные задачи исследований:
провести критический анализ природно-технического комплекса бассейна Верхней Кубани с учётом роста антропогенных нагрузок и угрозы безопасности элементам противопаводковой защиты;
разработать модель развития прорана в дамбах обвалования в зависимости от физико-механических свойств грунта и параметров водохранилища;
разработать конструкцию компенсатора высоты дамб обвалования, используемого при повышении уровней воды в водохранилище и методику расчёта прочности его элементов;
обосновать конструкцию резервного катастрофического водосброса и провести экспериментальные исследования с целью уточнения его параметров, обеспечивающих надежное сопряжение бьефов, и гидравлическую безопасность сооружения на нескальном основании;
дать рекомендации по совершенствованию противопаводковой защиты, предотвращению чрезвычайных ситуаций при паводках на примере Усть-Джегутинского гидроузла.
Методы исследований. В ходе исследований проводились натурные, лабораторные, теоретические и численные эксперименты с использованием ЭВМ. Натурные исследования выполнялись в соответствии с методиками, принятыми в инженерной гидрологии, геодезии, механике грунтов; теоретические - с применением законов механики, методов подобия и размерностей, а также теории планирования эксперимента; лабораторные - на физической модели, с использованием методов гидравлического моделирования.
Научную новизну исследований составляют:
дополнительные данные многолетних наблюдений за уровнями и расходами, в том числе редкой обеспеченности (Р < 5%) в бассейне Верхней Кубани;
модель развития прорана в дамбе системы инженерной защиты водохранилища и методика расчёта объёма прорана, времени его образования в зависимости от факторов, влияющих на этот процесс;
конструкция компенсатора высоты дамб обвалования (пат. RU 2385382) для предотвращения перелива и разрушений от паводков и методика расчёта его прочности;
конструктивные решения и параметры элементов резервного водосброса, обеспечивающих надежную работу сооружения в период прохождения катастрофических паводков;
рекомендации по совершенствованию элементов системы противопаводковой защиты Верхней Кубани.
Практическую значимость работы представляют:
модель прогнозирования параметров прорана земляных подпорных сооружений;
конструкция компенсатора высоты дамбы обвалования для предотвращения разрушений от паводков и методика расчёта её прочности;
результаты лабораторных исследований резервного водосброса и рекомендации по предотвращению чрезвычайных ситуаций от паводковых воздействий в створе Усть-Джегутинского гидроузла.
Достоверность полученных результатов подтверждается большим объёмом данных, полученных в результате натурных и лабораторных исследований, проводившихся в течение 2001 - 2011 гг. с использованием апробированных методик, стандартных методов математического анализа, с применением приборов и установок, прошедших в нормативные сроки метрологическую аттестацию, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.
Достоверность полученных данных косвенно подтверждается использованием результатов исследований в рабочем проекте ОАО «Севкавгипро-водхоз», прошедшем государственную экспертизу.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на заседаниях: научной конференции «Гидротехнические мелиорации и повышение эффективности технических средств при орошении в Краснодарском крае» (Краснодар, 2003 г.); ежегодных научно-практических конференций НГМА, РосНИИПМ и Юж-водпроекта (Новочеркасск, 2002 - 2011 гг.); II Международной научно-практической конференции (Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003 г.); межрегиональной дистанционной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (пос. Персиановский, 2003 г.); VIII Международной научно-практической конференции (Новочеркасск: ЮРГТУ, 2008 г.); III Международном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010 г.); кафедры «Гидротехнические сооружения» НГМА (2003 - 2011 гг.).
Внедрение результатов. Рекомендации по устройству резервного водосброса Усть-Джегутинского гидроузла, использованы в рабочем проекте ОАО «Севкавгипроводхоз»; конструкция компенсатора высоты дамб обвалования, используется в практике проектирования конструкторского бюро фирмы ООО «Рассвет-К».
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 12 работах, в том числе 3 в рецензируемых изданиях, а также патент на изобретение.
Личный вклад автора. Постановка проблемы, формулировка задач и нахождение их теоретических и экспериментальных решений, а также приведенные в работе научные и практические результаты, их анализ и окончательные выводы выполнены автором лично при консультациях научного руководителя.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 173 наименований (в том числе 20 иностранных авторов) и 4 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 158 страницах текста, включая 28 рисунков, 22 таблицы.
