Введение к работе
Актуальность темы исследования. Интенсивное освоение предгорных и горных территорий на юге России во второй половине XX - начале XXI веков способствовало росту селевой активности. Селевые катастрофы (июль 2000 г. - Тырныауз, Кабардино-Балкарская Республика; апрель 2002 г. - Шатойский район Чеченской Республики; сентябрь 2002 г. - р. Геналдон, Республика Северная Осетия - Алания и др.), принесшие многочисленные человеческие жертвы и миллиардные ущербы для народного хозяйства, требуют совершенствования оценок степени селевой опасности бассейнов, действующих динамических нагрузок на гидротехнические сооружения, методов расчёта селевых потоков и сооружений, обоснование комплексных противо-селевых мероприятий во всём бассейне.
Селевые исследования в России начались под руководством Б.И. Статковского с середины XIX века, с начала освоения горных территорий Кавказа (проектирование и строительство Военно-Грузинской дороги и др.). Несмотря на высокий уровень технологического развития общества, до настоящего времени не разработаны эффективные методы предотвращения селевых явлений. Разбросанные по большому количеству литературных источников методы расчёта сооружений инженерной защиты от селей зачастую весьма противоречивы и трудно применимы для практического использования.
В Российской Федерации, по данным различных авторов, селеопасными являются до 20 % территории; основными селеопасными территориями являются горные и предгорные районы Северного Кавказа, Закавказья, Урала (особенно Северный и Приполярный), Алтай, Саяны, север Сибири, а также полуострова Кольский, Камчатка, Чукотка, остров Сахалин, горы восточной Сибири, Курильские острова.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом важнейших НИР ФГБОУ ВПО НГМА (03.01.05.01): «Разработка рациональных конструкций и компоновочно-конструктивных решений гидротехнических сооружений и рекомендаций по их проектированию, реконструкции, эксплуатации и утилизации».
Степень разработанности темы. Анализ состояния селеопасных бассейнов горных районов Северного Кавказа показывает постепенное повышение селевой активности. Средняя площадь селевых бассейнов в пределах Южного и Северо-Кавказского федеральных округов находится в диапазоне от 15 до 35 км , длина селеносных водотоков составляет 6-8 км, средний уклон русел 110 - 280 %о. На юге России имеется более 900 горных селеопасных бассейнов.
Самым опасным селевым бассейном Черноморского побережья России является р. Мзымта, где отмечается более 100 селевых русел. По генезису потоки делятся примерно пополам на дождевые и смешанные - снегодождевые - сели. Объёмы единовременных выносов твёрдой составляющей колеблются от 100 м до более 100000 м , однако преобладают объёмы
4 от 10 до 15 тыс. м . По составу твёрдой составляющей селевых потоков преобладают грязека-менные сели - 48 %, на втором месте находятся смешанные, переходящие в наносоводные селевые потоки - 30 % и на наносоводные селевые потоки приходится 22 %. Повторяемость прохождения селевых потоков колеблется в широком диапазоне - от 1 раза в 50 лет, до 1 раза в 5 лет и даже ежегодно.
Общая длина селевых русел в бассейне равна 244 км, самое длинное из них - р. Лаура -20 км, самое короткое - 0,6 км. Средняя длина селевых русел 5 км. Средняя площадь водосбо-
ров селевых бассейнов - около 10 км , максимальная - 140 км (Чвижепсе), минимальная -0,2 км2.
К проблемным вопросам бассейна р. Мзымта относятся: низкая изученность селевых русел этого района; высокий материальный ущерб от схода селей и его рост в последние годы; недостаточная обоснованность параметров селевых потоков и сооружений инженерной защиты; отсутствие регулярного мониторинга селевых русел.
Цель исследований - научное обоснование методов расчёта и совершенствование конструкций, входящих в состав комплекса противоселевой защиты бассейна р. Мзымта.
Общая цель работы определила задачи исследований:
провести критический анализ уровня развития противоселевых сооружений и мероприятий, а также методов их расчёта при проектировании комплекса противоселевой защиты;
осуществить анализ состояния природно-технического комплекса противоселевой защиты бассейна р. Мзымта с учётом роста селевой активности, вызванного производством крупномасштабных строительных работ;
разработать методику расчёта многоуровневых гибких противоселевых сооружений из кольчужных сеток;
разработать конструкцию селепропускного сооружения в виде железобетонного лотка, обладающего повышенной устойчивостью и экономической эффективностью;
реализовать трёхмерную математическую модель селевого потока на примере расчётного участка русла р. Мзымта с использованием программного комплекса Flow-3D;
выполнить расчёт экономической эффективности и последующее внедрение в проект результатов научных исследований;
разработать рекомендации по совершенствованию системы противоселевой защиты бассейна р. Мзымта.
Научную новизну исследований составляют:
результаты анализа уровня развития противоселевых конструкций и мероприятий, а также условий и перспектив их применимости;
районирование селевого бассейна р. Мзымта, и определение зон, несущих повышен-
5 ную селевую угрозу;
методика расчёта гибких противоселевых сооружений из кольчужных сеток;
конструкция селепропускного лотка (патент на изобретение RU 2481436), служащего для пропуска селевой массы через защищаемый объект или в обход него;
результаты трёхмерного моделирования селевого потока на участке русла р. Мзымта, с применением программного комплекса Flow-3D.
Теоретическая и практическая значимость работы. При определении скорости движения селевого потока для обоснования нагрузок на гидротехнические сооружения в селевом русле целесообразно использовать опыт математического моделирования движения селевого потока на программном комплексе Flow-3D. Для обеспечения беспрепятственного пропуска селевой массы через защищаемый объект или в обход него целесообразно применять перспективную конструкцию селепропускного лотка, обладающего повышенной устойчивостью и экономической эффективностью.
Результаты научных исследований по совершенствованию конструкций и методов расчёта противоселевых сооружений будут востребованы проектными организациями при разработке комплексов противоселевой защиты; при обосновании комплекса противоселевой защиты спортивных и инфраструктурных объектов в бассейне р. Мзымта; для расчёта многоуровневых гибких противоселевых сооружений при проектировании комплекса инженерной защиты.
Методология и методы исследований. В ходе исследований проводились натурные, математические, 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; математические - на программном комплексе Flow-3D, с использованием методов гидравлического моделирования.
Положения, выносимые на защиту:
районирование селевой опасности в бассейне р. Мзымта;
методика расчёта многоуровневых гибких противоселевых сооружений;
конструкция селепропускного лотка;
результаты математического моделирования движения селевого потока на участке русла р. Мзымта.
Достоверность результатов исследований подтверждается большим объёмом данных, полученных в результате натурных и модельных исследований бассейна р. Мзымта, проводившихся в 2010 - 2013 гг. с использованием апробированных методик, стандартных методов математического анализа, с применением приборов и установок, прошедших в нормативные сроки метрологическую аттестацию, применением методов математического моделирования, сопо-
ставлением полученных результатов с данными других авторов. Достоверность полученных данных подтверждается также использованием результатов исследований в проекте селеспуска нар. Сулимовский Ручей.
Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований докладывались на заседаниях, научно-практических конференциях: Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных «ЭВРИКА-2011» (Новочеркасск, ЮРГТУ, 2011 г.); ежегодных научно-практических конференциях НГМА, (Новочеркасск,
-
- 2013 гг.); Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надёжность, качество, энергосбережение» (Ростов-на-Дону - Новомихайловский, РГСУ,
-
г.); П конференции «Селевые потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита» (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012 г.); Ш Всероссийской молодёжной конференции «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» (Москва, МГСУ, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Интеграция науки и производства - стратегия успешного развития АПК в условиях вступления России в ВТО» (Волгоград, ВолГАУ, 2013 г.); кафедр «Гидротехнические сооружения» НГМА (2010 - 2013 гг.) и МГСУ (2013 г.).
Внедрение результатов. Методика расчета гибких противоселевых сооружений в 2012 г. внедрена в проект селеспуска на р. Сулимовский Ручей, г. Большой Сочи.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 16 работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования России - 6, один патент на изобретение. Общий объём опубликованных работ составляет 6,02 п.л., принадлежность автору составляет 3.58 п.л.
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 200 наименований (в том числе 21 работа иностранных авторов) и 4 приложения. Основное содержание диссертации изложено на 155 страницах текста, включая 70 рисунков, 9 таблиц.
