Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы охраны земель от боковой водной эрозии предгорной зоны северного кавказа 15
1.1. Факторы, обуславливающие размыв берегов рек Северного Кавказа 15
1.2. Анализ существующих способов защиты берегов рек от водной эрозии для предупреждения чрезвычайных ситуаций 21
1.2.1. Оценка способов охраны земель продольными противоэрозионными берегозащитными сооружениями 28
1.2.2. Оценка способов охраны земель поперечными противоэрозионными берегозащитными сооружениями 38
1.2.3. Оценка способов охраны земель с помощью запруд 48
1.2.4. Биологические способы охраны земель от водной эрозии 54
1.3. Анализ существующих методов расчета и выбора проектных решений противоэрозионных берегозащитных сооружений 60
1.4. Цели и задачи исследований 70
2. Методология и теория охраны земель гибкими противоэрозионными берегозащитными сооружениями, адаптированными к морфологии рек 71
2.1. Теоретическое обоснование проблемы охраны земель гибкими противоэрозионными берегозащитными сооружениями, адаптированными к морфологии рек 71
2.2. Оценка влияния морфологии рек на процесс боковой ВОДЕЮЙ эрозии земель предгорной зоны 76
2.3. Обоснование и выбор основных факторов для проведения натурных исследований 83
2.4. Обоснование и выбор вариантов гибких противоэрозионных берегозащитных сооружений для проведения натурных исследований 89
2.5. Разработка интегрального показателя оценки применимости гибких противоэрозионных берегозащитных сооружений в зависимости от особенностей и условий рек 99
2.6. Выбор плана исследований и методики обработки экспериментальных данных 104
2.7. Построение имитационных математических моделей гибких противоэрозионных берегозащитных сооружений 108
2.8. Разработка имитационной системы для оптимизации процесса охраны земель 117
2.9. Выводы 120
3. Разработка и оценка способов охраны земель гибкими противоэрозионными берегозащитными сооружениями, адаптированными к морфологии рек 122
3.1. Разработка и оценка новых гибких откосных креплений дамб, адаптированных к морфологическим условиям рек 122
3.1.1. Оценка конструктивных решений и адаптированности к морфологии рек хворостяных и фашинных откосных креплений 124
3.1.2. Оценка конструктивных решений и адаптированности к морфологии рек габионных откосных креплений 134
3.1.3. Оценка конструктивных решений и адаптированности к морфологии рек комбинированных откосных креплений 147
3.1.4. Оценка конструктивных решений и адаптированности к морфологии рек ячеистых откосных креплений 156
3.2. Методические рекомендации по расчету гибких откосных креплений дамб 170
3.2.1. Оценка пригодности и расчет устойчивого диаметра камня для облицовки откосов дамб 170
3.2.2. Способы повышения устойчивости гибких откосных креплений дамб 177
3.3. Разработка и оценка новых гибких подпорных стенок, адаптированных к морфологическим условиям рек 183
3.3.1. Оценка конструктивных решений и адаптированности к морфологии рек габионных и комбинированных подпорных стенок 188
3.3.2. Оценка конструктивных решений и адаптированности к морфологии рек гибких подпорных стенок с сетчатыми анкерами 198
3.3.3. Методические рекомендации по расчету гибких подпорных стенок 206
3.3.4. Выводы 211
4. Разработка способов предотвращения размыва оснований гибких противоэрозионных берегозащитных сооружений 213
4.1. Способ защиты и методика расчета гибких «фартуков» как средства борьбы с размывами оснований гибких откосных креплений дамб 213
4.2. Способы предотвращения размывов оснований гибких подпорных стенок 228
4.3. Предотвращение размывов оснований гибких противоэрозионных берегозащитных сооружений на реках, протекающих в урбанизированной зоне 230
4.4. Прогноз влияния русловых выемок на гидравлический режим потока в реке 245
4.5. Выводы 249
5. Оценка эффективности охраны земель гибкими противоэрозионными берегозащитными сооружениями, адаптированными к морфологии рек 251
5.1. Реализация имитационной системы по выбору гибкого противоэрозионного берегозащитного сооружения, адаптированного к морфологическим условиям рек 251
5.2. Технология производства работ при строительстве гибких противоэрозионных берегозащитных сооружений 253
5.3. Анализ результатов обследований построенных гибких противоэрозионных берегозащитных сооружений 258
5.4. Пути повышения производительности труда и качества берегоукрепительных работ 263
5.5. Оценка экономической эффективности охраны земель гибкими противоэрозионными берегозащитными
Сооружениями, адаптированными к морфологии рек 271
Общие выводы 276
Литература
- Анализ существующих способов защиты берегов рек от водной эрозии для предупреждения чрезвычайных ситуаций
- Оценка влияния морфологии рек на процесс боковой ВОДЕЮЙ эрозии земель предгорной зоны
- Оценка конструктивных решений и адаптированности к морфологии рек хворостяных и фашинных откосных креплений
- Способы предотвращения размывов оснований гибких подпорных стенок
Введение к работе
Большим бедствием для всех регионов России в последние годы стали паводки, в результате которых затапливаются населенные пункты, теряются большие площади сельскохозяйственных угодий, а это наносит большой ущерб народному хозяйству. Большой урон от паводков наносится и республикам Северного Кавказа.
Республики Северного Кавказа относятся к малоземельным республикам, поэтому строительство берегозащитных сооружений является необходимым условием сохранения земель от боковой водной эрозии и других объектов и населенных пунктов, расположенных по берегам рек. Ежегодно в этих республиках в результате боковой водной эрозии уносится тысячи гектаров земель, разрушаются дороги, а при больших паводках - и мосты. Так при паводке 2002 года только в Кабардино-Балкарской республике были разрушены десятки мостов [150], многие километры автомобильных дорог, а общий ущерб оценивается в 800ч-900 млн рублей.
В целях снижения процессов боковой водной эрозии и защиты населенных пунктов от боковой водной эрозии с 1960 года за счет средств бывшего Минводхоза РСФСР и других ведомств строились берегоукрепительные сооружения. В республиках Северного Кавказа за этот период было построено более тысячи километров берегоукрепительных сооружений. Основной акцент при строительстве берегоукрепительных сооружений делался на жесткие конструкции. Только в КБР находится более 100 берегоукрепительных сооружений из железобетона и бетона, сборной и монолитной конструкций.
В настоящее время практически все берегоукрепительные сооружения, выполненные из бетона и железобетона, нуждаются в ремонте и восстановлении. Существующие технические решения и технологии по восстановлению БУС не позволяют надежно решать эти вопросы. Поэтому необходимо разработать новые технические решения и технологии по вое- становлению и ремонту эксплуатируемых БУС, позволяющие надежно решать стоящие проблемы.
Проблема русловых процессов и вопрос о возможности искусственного воздействия на формирование русла устройством различных регулирующих сооружений уже давно привлекает внимание ученых, инженеров-гидротехников и является предметом научного анализа в течение уже двух столетий. За это время накоплен обширный фактический материал, выполнены крупные теоретические исследования, разработаны различные варианты технических решений и сделаны научные обобщения, имеющие важное практическое значение.
Большой вклад в изучение русловых процессов был сделан отечественными учеными В.М.Лохтиным, Н.С. Лелявским, В.Г. Клейбером, В.Е. Тимоновым, Н.Н. Жуковским [30,69,77] и др. Из зарубежных ученых можно отметить работы Дюбуа, Фарга, Жирардона и др. В работах В.М. Лохтина и Н.С. Лелявского [30] впервые были четко сформулированы принцип непрерывного взаимодействия потока и русла и основная роль половодья в формировании речного русла. Поэтому В.М. Лохтина и Н.С. Лелявского считают основоположниками учения о формировании речного русла, а Д.И. Кочерина и Н.Е. Долгова - основоположниками учения о стоке.
Большой вклад в развитие этой области науки внесли и следующее поколение ученых Н.М. Вернадский [77], В.М. Маккавеев [364], М.В. Потапов [346], М.А. Великанов [69], СТ. Алтунин [30], К.Ф. Артамонов [40,41] и др.
Многие современные российские ученые активно занимаются вопросами охраны земель от боковой водной эрозии рек, среди которых нужно назвать В.И. Антроповского [33,34,35,36,37], И.С. Румянцева [282], М.Р. Бакиева [44,45], Г.Б. Руруа [283] и др.
В месте с тем, надо отметить, что в последние два десятилетия был застой в совершенствовании теоретической базы этой отрасли науки. Конструктивные решения уже не удовлетворяют современному уровню развития науки и техники.
Построенные и эксплуатируемые берегозащитные сооружения все, как правило, находятся в полуразрушенном состоянии и морально устарели. Поэтому перед гидротехниками будет стоять задача обновления старых изношенных креплений и строительство новых, более совершенных, конструкций.
Опыт эксплуатации берегозащитных сооружений показал эффективность работы гибких конструкций. Эффективная работа гибких берегозащитных сооружений объясняется специфическими условиями работы их в воде, где небольшие деформационные изменения неизбежны. Вместе с тем, надо отметить, что разработанные ранее конструкции гибких берегозащитных сооружений нуждаются в усовершенствовании.
Проведенные исследования показали, что в настоящее время необходимо продолжить дальнейший поиск оптимальных вариантов технических решений берегозащитных сооружений. Для этого разработаны различные варианты гибких откосных креплений и гибких подпорных стенок, запатентованных в России. Разработана методика по их расчету и конструированию. Дана сравнительная оценка на их надежность, экономичность и экологичность.
Другая проблема, которая стоит уже на стадии проектирования - это правильный выбор варианта технического решения берегозащитного сооружения. В настоящее время проектировщики при выборе варианта технического решения руководствуются либо своими соображениями, основанными на опыте, либо общими рекомендациями, не всегда приводящими к оптимальному решению проблемы. Так, например, после популяризации габионных конструкций везде начали их строить, несмотря на то, что в некоторых случаях они совершенно неприменимы.
Анализ натурных обследований действующих берегозащитных сооружений показал, что выбор варианта берегозащитного сооружения зависит от морфологических элементов потока и русла. При выборе варианта берегозащитного сооружения в настоящее время кроме надежности необходимо также рассматривать экономические и экологические показатели. Таким образом, необходим научный подход при принятии решений по выбору оптимального варианта берегозащитного сооружения.
С появлением новых, более прогрессивных, строительных материалов, с развитием информатики и вычислительной техники, с последними достижениями в области математической теории планирования эксперимента появилась возможность по-новому подходить и к решению многих вопросов, связанных с проектированием и строительством берегозащитных сооружений.
Необходимо выявить основные морфологические элементы потока и русла, влияющие на надежную работу берегозащитных сооружений, разработать методику расчета и способы защиты берегов рек от размыва гибкими конструкциями, адаптированными к местным морфологическим условиям. Все это стало возможным также благодаря последним достижениям в области математической теории планирования эксперимента. Первые работы в этой области были опубликованы в 1951 г. Боксом и Уилсоном в Англии [366,367]. В нашей стране планирование эксперимента развивается с 1960 г. под руководством В.В. Налимова [10,11], и достигнуты большие успехи в этой отрасли науки.
Разработанная теория позволит на этапе предпроектных работ выбирать оптимальный вариант гибкого противоэрозионного сооружения в зависимости от величины от морфологических элементов потока и русла, что в первую очередь нужно проектировщикам. Проектировщик, не имеющий большого практического опыта проектирования берегозащитных сооружений, может подобрать оптимальный вариант применительно к местным условиям. Основными критериями оптимального выбора варианта являются: надежность, экономичность и экологичность.
Целью диссертационной работы является разработка методологии охраны земель от боковой водной эрозии гибкими противоэрозион-ными берегозащитными сооружениями, адаптированными к морфологии рек.
Объектами исследования являются природно-территориальные комплексы, в которых природной составляющей являются русла рек с боковой водной эрозией, а к техногенной составляющей относятся гибкие противоэрозионные берегозащитные сооружения, адаптированные к морфологии рек.
Предметом исследования являются закономерности и связи между морфологией рек и гибкими противоэрозионными берегозащитными сооружениями.
Методы исследований. Прикладной и экспериментальной методологией является имитационное моделирование, имеющее целью: описать поведение системы; построить теорию, которая объяснит наблюдаемое поведение; использовать эту теорию для предсказания будущего поведения системы, то есть в тех действиях, которые могут быть вызваны изменением в системе. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и натурных условиях с применением методов теории планирования эксперимента и использованием рабочих проектов принятых двадцати вариантов гибких противоэрозионных берегозащитных сооружйиультаты исследований обрабатывались на ПЭВМ с применением математической среды MatCad 2000, Excel 2002 и собственных программ расчета, разработанных на языке Pascal.
Предотвращенный экологический ущерб от внедрения мероприятий по охране земель и брегов рек от боковой водной эрозии гибкими противо-эрозионными берегозащитными сооружениями составил 10,5 млн рублей.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Методология и теория охраны земель гибкими противоэрозионными берегозащитными сооружениями (ГПБС), адаптированными к морфологии рек.
Система методологической оценки эффективности работы конструкций ГПБС по интегральному показателю для охраны земель от боковой водной эрозии.
3. Методы охраны земель от боковой водной эрозии, включающие имитационные модели и системы оптимизированного выбора опти мальных проектных решений ГПБС.
Методы расчета новых конструкций ГПБС для охраны земель от боковой водной эрозии, адаптированных к морфологии рек.
Методы расчета новых технических решений для борьбы с размывами оснований ГПБС.
Научную новизну работы представляют: интегральный показатель (ИП) для оценки эффективности применения ГПБС, учитывающий их надежность, экономичность и экологичность; имитационные модели ГПБС, позволяющие оценить их работу по ИП с учетом морфологии и гидравлических условий рек; имитационная система, позволяющая автоматизировать выбор оптимального проектного решения по охране земель ГПБС, адаптированными к морфологии рек; научно-обоснованные, новые конструкции ГПБС для охраны земель от боковой водной эрозии, адаптированных к морфологии рек; методы по расчету отдельных элементов и конструированию новых ГПБС с учетом морфологии и гидравлических условий рек.
Новизна разработанных методов и технических решений подтверждена двадцатью патентами на изобретения.
Достоверность теоретических положений подтверждается сходимостью теоретических предпосылок и результатов экспериментальных исследований, а также результатами натурных обследований, проведенных с использованием разработанной методики по охране земель гибкими про-тивоэрозионными берегозащитными сооружениями, адаптированными к морфологии рек.
Практическую ценность работы представляют: новые технические решения ГПБС и рекомендации по рациональному диапазону их применения с учетом морфологии и гидравлических условий рек; рабочие проекты на принятые варианты ГПБС; имитационные модели и графики для анализа эффективности применения ГПБС по интегральному показателю; система методологической оценки по интегральному показателю для выбора оптимального проектного решения охраны земель гибкими проти-воэрозионными берегозащитными сооружениями с учетом морфологии и гидравлических условий рек; методические рекомендации по расчету и проектированию ГПБС; новые технические решения и методы расчета по предотвращению размывов оснований ГПБС.
Реализация результатов исследований
Методика расчета ГПБС и способы защиты от размыва гибкими конструкциями, адаптированными к местным морфологическим условиям, прошли производственную проверку в 1999 -2005г.г. на реках Кабардино-Балкарской республики.
Построены по этой методике берегозащитные сооружения на реках Черек, Герхожан - Су и др. В частности, на р.Черек в районе селения Псы- набо построена дамба с габионным откосным креплением из параболических цилиндров протяженностью 1500 м. На этом же участке реки построено армобетонное крепление протяженностью 150м.
На р.Черек в районе с. Старый Черек также построена дамба с габионным откосным креплением из параболических цилиндров протяженностью 500 м. На этом же участке реки построены гибкие «фартуки» из габионов, имеющих форму параболических цилиндров у подпорных стенок из арматурных ящиков протяженностью 300м.
На р.Герхожан-Су в районе г. Тырныауз построена дамба с армобу-тобетонным креплением протяженностью 150м.
На р. Кенделен построена дамба с креплением из матрасов «Рено» длиной 120м, адаптирвоанная к морфологии русла реки.
Практически на все технические решения гибких откосных креплений и подпорных стенок имеются патенты Российской федерации.
Разработанные методы расчеты и конструкции гибких берегозащит ных сооружений приняты к внедрению в производство проектными орга низациями ОАО «СЕВКАВГИПРОВОДХОЗ», ОАО «КАББАЛКГИПРОВОДХОЗ».
Апробация работы. Основное содержание диссертации доложено: на технических советах в проектных и научных организациях ОАО «Сев-кавгипроводхоз», ОАО «Каббалкгипроводхоз», ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия, в комитете по природным ресурсам КБР в 1998 -2005 г.г.; на совещаниях в МЧС и ГО КБР 2002-04г.г; на кафедре гидравлики в ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (г. Новочеркасск, 2000-02г.г); на международной научно-технической конференции в ОАО «СЕВКАВГИПРОВОДХОЗ» (г. Пятигорск, 2003г.); на международной научно-технической конференции в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» (г. Москва, 2005г.), на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО «КБГСХА» 1998-2005г.г.
Публикации. Опубликовано 41 печатных работ, в том числе одна монография «Гибкие берегозащитные сооружения, адаптированные к морфологическим условиям рек» 9,4 п.л., 8 статей опубликовано в центральных журналах «Мелиорация и водное хозяйство» и «Гидротехническое строительство», получено 20 патентов на изобретения. Общий объем публикаций - свыше 25 п.л.
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ЗЕМЕЛЬ ОТ БОКОВОЙ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПРЕДГОРНОЙ ЗОНЫ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА
Анализ существующих способов защиты берегов рек от водной эрозии для предупреждения чрезвычайных ситуаций
Российские и зарубежные ученые в последние годы внесли большой вклад в решение многих вопросов по защите берегов рек от водной эрозии. Разработаны новые технические приемы регулирования речных русл, конструкции сооружений, позволяющие стабилизировать структуру потока, эффективно управлять движением наносов и формированием русл. Появились новые научно обоснованные рекомендации прогноза этих явлений, основанные на теории вероятности и теории надежности [83,92,210,211,212,213,215], новые критерии проектирования и строительства русловых [141] гидротехнических сооружений.
Активно влиять на режим больших водотоков позволяет аккумулирование паводков в водохранилищах [40,76,81], которые в большинстве случаев имеют комплексное многоцелевое назначение. На водосборах рек в широких масштабах осуществляется снегозадержание, противоэрозионные мероприятия [112,113,293], облесение и др. Однако, как показывает практика, эти мероприятия эффективны лишь при паводках частой и средней повторяемости, на паводки же редкой повторяемости они почти не влияют. Не всегда оптимальным вариантом является создание водохранилищ, поскольку это приводит во многих случаях к затоплению сельскохозяйственных угодий, лесных и т.д. В связи с этим, одним из эффективных методов борьбы с паводками является обвалование пойм рек. В нашей стране более 2000 систем обвалования [29,30] общей протяженностью 10 тыс. км защищает 8 млн га сельскохозяйственных угодий. Вдоль не очень крупных рек на юге страны построены преимущественно системы сплошного обвалования. Этот вид защиты от паводков является достаточно надежным. Следует, однако, отметить, что нормальное содержание и функционирование систем обвалования непосредственно связывается с береговой эрозией и устойчивостью русл рек в плане. Между тем, интенсивная эрозия берегов наблюдается почти на всех водотоках как обвалованных, так и не обвалованных. Сложные русловые процессы, происходящие в поймах рек, не позволяют оптимизировать решение задач берегоукрепления, создать единые методы расчета и проектирования руслорегулирующих сооружений.
За последние годы ученые инженеры-гидротехники многих стран, в том числе и России, разработали около 200 различных средств и методов борьбы с эрозией берегов рек. В развитых странах для закрепления берегов рек, а также откосов каналов широко применяются конструкции из железобетона и асфальтобетона [53,74,268]. Так, во Франции для крепления северных каналов были использованы гибкие битумные армированные маты. В Нидерландах, Англии, США и Франции применяют гибкие тюфяки из пропитанного смолами волокна и покрытые битумом с наполнителями, а также нейлоново-бетонные и нейлоново-песчаные маты. Используются полотенца, ленты - пластики из твердого полиэтилена, синтетические ткани «бидим». Полимерные материалы широко применяются и в нашей стране.
Много внимания уделяется развитию и совершенствованию традиционных методов, предусматривающих местное регулирование поля скоростей потока, созданием искусственной поперечной циркуляции, применением берегозащитных и берегоукрепительных сооружений самых разнообразных конструкций. Берегозащитные сооружения можно разбить на три группы: стенки - опояски, сквозные устройства, покрытия.
Стенки-опояски из ряжевых конструкций или пиленого леса с каменной засыпкой применяются с давних пор. В последние годы они были модернизированы. Сперва в США, а затем и в Англии были предложены конструкции ряжей из металлических и железобетонных элементов различной формы и поперечного сечения. Конструкции набережных из сборных железобетонных плит были разработаны в России, Франции, США. Их достоинство - быстрая и относительно легкая сборка из заранее заготовленных элементов. К этой группе относятся шпунтовые и свайные стенки и заграждения. Они успешно применяются в практике гидротехнического строительства в Бельгии, Англии, ФРГ, во Франции, России [88,125,132,178]. Весьма эффективна защита берегов рек от размыва с помощью сквозных ветвистых заграждений, способствующих отложению наносов. В США и России разработаны такие сооружения с применением металлических сеток, проволочных спиралей, устройства типа «ежей» и др. Работа этих сооружений основана на снижении скорости движения потока и осаждении наносов. Особое место среди подобных защитных сооружений занимают свайные зарешеченные конструкции, стенки с прорезями, а также дамбы полузапруды с рамной коробчатой конструкцией. Сквозные дамбы и полузапруды из свай и тетраэдров успешно применены на р. Миссури, Миссисипи и Колорадо (США), в нашей стране - на р.Амударья и р.Терек в (КБР).
В России разработано несколько типов сквозных конструкций типа эстакад. Сквозные берегозащитные сооружения исследовали Херхеуилидзе И.И., Орлов И.Я., Хачатрян P.M., Амбарцумян Г.А., и др. Дамбы -полузапруды в виде металлических рам, установленных с некоторым уклоном в различных положениях, широко применяются и в других странах.
В качестве покрытия для защиты естественных и искусственных земляных откосов как у нас, так и за рубежом давно применяются габионы [345,357,365], каменно-гравийное крепление в клетках и гибкие покрытия. Наибольшее распространение габионые конструкции получили в Италии. В нашей стране в последнее время созданы филиалы итальянских фирм, которые активно в больших масштабах внедряют габионные конструкции. В последние годы для крепления откосов применяются искусственные блоки различных форм и очертаний [53,194,195,312]. За рубежом вместо блоков используют железобетонные плиты, соединенные в ковры или ленты.
Оценка влияния морфологии рек на процесс боковой ВОДЕЮЙ эрозии земель предгорной зоны
Развитие речных русел - производная сложного сочетания различных климатических, гидрологических, геологических, морфологических факторов, степень проявления которых не одинакова в конкретных природных условиях.
По определению Н.И. Маккавеева [365], «к типу русловых следует отнести потоки, глубина, ширина и скорость течения которых настолько значительны, что основными динамическим факторами, определяющими главные закономерности эрозионно-аккумулятивнои деятельности этих потоков, являются силы, возникающие при поступательном движении воды». Непрерывное взаимодействие потока и русла, образующих вместе единый комплекс, в котором активная роль принадлежит потоку, является основным содержанием руслового процесса, представляющего собой главный результат образования и развития постоянных водотоков.
Основными морфологическими факторами, влияющими на процесс боковой водной эрозии, являются: режим рек; продолжительность паводка; русловые процессы; наносный режим; продольные и поперечные профиля и устойчивость русел.
Режим рек. В результате длительного формирования [26,30,99,100,225] в русле создаются характерные ширина, кривизна, глубина и определенное распределение наносов, что тесно связано с соответствующими гидравлическими элементами реки - расходом, скоростью, уклоном, турбулентностью и влекущей силой потока. При сезонном колебании расходов и связанных с ним уровней воды гидравлические элементы потока также изменяются, создаются условия для формирования русла. В разные годы величина расходов и характер прохождения половодий сильно меняются. Русловые процессы в многоводный год протекают интенсивнее, чем в маловодный. Наиболее значительные переформирования русел наблюдаются в первый год смены периода низких паводков периодом высоких паводков, особенно при большой разнице между двумя смежными годами.
Продолжительность паводка. На малых реках и оврагах с дождевым питанием длительность паводка исчисляется несколькими сутками и даже часами. Водный режим зависит от типа их питания; различают дождевое, снеговое, ледниковое и подземное питания. Питание рек за счет подземных вод в той или иной степени распространено почти повсеместно. На горных реках наблюдается более резкое колебание расходов воды, связанное с изменением температуры воздуха и выпадением дождевых осадков, чем на равнинных. Нарастание и спад паводков на малых горных реках проходят всего за несколько суток, тогда как на больших реках половодье продолжается месяцами. Горные реки питаются преимущественно за счет таяния снега. Основные гидрологические характеристики рек Кабардино-Балкарской республики [334,336] приведены в таблице 2.2.1.
Весь годовой сток воды больших горных рек обычно можно разделить на три основных периода: - периода преимущественного подземного питания, который характеризуется устойчивыми небольшими расходами, плавно снижающимися до начала снеготаяния. Период межени; - периода снегового половодья с увеличенными расходами за счет таяния снега с образованием дополнительных пиков во время дождей; - периода снегово-ледникового питания, преимущественно за счет таяния высокогорных снегов и ледников. Дождевые пики отсутствуют.
На больших горных реках период межени продолжается: сентябрь, октябрь, ноябрь, декабрь, январь, февраль, а период половодья: март, апрель, май, июнь, июль, август. Соотношение стоков отдельных периодов года характеризует условия питания реки, а следовательно, внутригодовое распределение стока в целом.
Отмеченные особенности формирования и распределения внутригодового стока имеют весьма важное значение для русловых процессов в реках и для работы сооружений по регулированию русел. Известно, например, что в период кратковременного половодья переносится большое количество наносов, более резко формируется русло и тем самым сооружение подвергается более сосредоточенным и внезапным воздействиям потока.
Правильная оценка формирования русла может быть сделана только на основе тщательного изучения всего комплекса русловых процессов. Под русловым процессом понимается взаимодействие между потоком воды и грунтами, слагающими русло.
Русловые процессы. При регулировании рек и строительстве гибких противоэрозионных берегозащитных сооружений чаще всего приходится встречаться со следующими русловыми процессами [22,27,30,365]: - деформация русла в бытовых условиях: размыв горных участков и отложение наносов в нижнем течении рек; размыв (занесение) плесов и занесение (размыв) перекатов на подъеме паводка; размыв берегов и отложение наносов в русле с образованием отмелей; размыв и занесение русла в период зажоров и заторов; - деформация русла при выправлении рек без регулирования стока: размыв и намыв русла в пределах регулируемого участка; местный намыв и размыв русла у берегозащитных дамб; - переформирование русла после постройки берегозащитных сооружений, когда естественный режим жидкого и твердого стока нарушается.
Оценка конструктивных решений и адаптированности к морфологии рек хворостяных и фашинных откосных креплений
Для взвесенесущего потока эффективным креплением откосов дамб может оказаться хворостяное крепление по плетеной сетке. Для этого на откосе дамбы устраивается гравийная подготовка в виде обратного фильтра, которая должна служить фильтром и предотвращать механическую суффозию под гибким откосным креплением (рис.3.1.1). На подготовленном основании укладывается слой плетеной сетки путем разматывания рулонов поперек направлению движения потока. Нижний конец размотанного рулона сетки будет заглубляться и служить анкером, предотвращающим всплытие крепления. Длина заглубления зависит от глубины размыва. При таком способе укладки плетеной сетки, благодаря цельности, сеточный ковер способен выдерживать очень большие нагрузки на растяжение. Эта нагрузка зависит от толщины проволоки и может достигать 5-І- 10 тонн на погонный метр длины плетеной сетки. Плетеная сетка укладывается со смещением и образованием нахлеста. В месте нахлеста плетеная сетка соединяется между собой соединительной проволокой. Образованный таким образом ковер из плетеной сетки закрепляется на откосе анкерами, которые забиваются перпендикулярно поверхности откоса. Длина забитых анкеров должна быть такой, чтобы силы трения и сцепления их с грунтом превосходили силы взвешивания откосного крепления. Длина анкера может быть 1-2 м. В качестве материала можно использовать обычную рифленую арматуру.
На сеточный ковер укладываются кустарники или деревья, которые соединительной проволокой прикрепляются к нему с помощью устройства для скручивания проволоки. Уложенные на откосе кустарники или деревья создают повешенную шероховатость, которая снижает скорость течения потока, примыкающего к креплению. В результате снижения скорости
Хворостяное крепление по плетеной сетке: 1 -дамба; 2 - каменная наброска; 3 - хворостяное крепление; 4 - заглубленное основание; 5 -сетка; 6 -анкера; 7 - хворост; 8 -обвязочная проволока течения потока до значений меньше 0,2-0,3 м/с происходит процесс выпадения взвешенных наносов и закрепления откосов наносами. Кустарники или деревья могут иметь поперечную или продольную ориентации. Так, на криволинейном откосе легче укладывать и лучше будет работать крепление с продольной укладкой кустарников или деревьев, а на прямолинейном - с продольной.
Для улучшения работы и увеличения продолжительности срока службы откосного крепления кустарники или деревья могут покрываться цементно-песчаным раствором. Корка из цементно-песчаного раствора утяжелит крепление и замедлит гниение дерева. Для этого достаточно в бадью, в которой находится приготовленный цементно-песчаный раствор, опустить кустарник или дерево и после высыхания он пригоден для укладки.
По результатам экспериментальных данных хворостяных откосных креплений после обработки получено уравнение регрессии, которое адекватно описывает изучаемое явление в пределах факторного пространства и имеет вид В результате обработки экспериментальных данных получено, что основными факторами, влияющими на величину интегрального показателя у хворостяного крепления по плетеной сетке, являются параметр кинетичности потока Fr, показатель Лохтина / и продолжительность паводкового периода потока п.
Напишем уравнение параметра оптимизации, в зонах максимум и минимум относительно двух факторов: параметра кинетичности потока и фактора имеющего наибольший ранг: Ятахн3 =1,628-3,08\Х{ + 2,9984Х2 -1.929Х,Х2 + 2,038 2 +1,488Х22; (3.1.2) Птіпи} = -0,930-0,620Х, + l,01Uf2 -0.297Х,Х2 + 2,038 2 +1,488 2. (3.1.3) Поверхности отклика, построенные по уравнениям (3.1.2) и (3.1.3), показаны на рис 3.1.2.
Фашинное ячеистое откосное крепление [247] монтируется и работает следующим образом: на подготовленное основание дна и верхового откоса дамбы укладывается сплошное ковровое сеточное покрытие (рис.3.1.3). Сетчатый ковер собирается из рулонов сетки, внахлест в местах примыкания рулонов друг к другу. Продольные фашины или бревна, а также раскосные фашины или бревна заготавливаются заблаговременно. Фашины собираются из веток и скрепляются
Способы предотвращения размывов оснований гибких подпорных стенок
Оптимальной высотой габионов, как и на откосе, является кг =0.2 4-0.5 м. При такой высоте габионов ширина колеблется в пределах Вг = 0.5 -т-1.0 м и камни, находящиеся под сеткой, максимально закреплены за счет силы трения камней о боковую поверхность сетки.
Образованное пространство между соседними параболическими цилиндрами для упрочнения связи, одновременно снижая механическую суффозию, может частично заполняться бетоном (рис.4.1.3 б).
В случае, когда есть необходимость полной защиты сетки от истирания, пространство между соседними габионами полностью заполняется бетоном. При полном заполнении пространства между параболическими цилиндрами бетоном предусматриваются конструктивно-деформационные швы.
Армобутобетонные «фартуки» (Патент Российской Федерации №2200793) [240] монтируются и работают следующим образом: на подготовленное дно дамбы, реки или канала плотно укладывается слой камней, размеры которых приблизительно одинаковы и равны 15-J-25 см (рис.4.1.Зв). На плотно выложенный слой камней квадратами или прямоугольниками для устройства конструктивно-деформационных швов укладывается слой высокопрочного раствора толщиной 7-j-lO см, который выравнивается по высоте. На слой высокопрочного раствора укладывается рулон сетки, который в растянутом виде углубляется и присыпается сверху еще небольшим слоем высокопрочного раствора таким образом, чтобы не засыпать ранее образованные конструктивно-деформационные швы. Размер ячеек сетки не превышает размера камней нижележащего слоя, и этим улучшается сцепление камней и сетки. На сетку и слой раствора плотно укладывается второй слой камней. Забетонированная сетка придает конст 219 рукции большую гибкость, чем обычная арматура. Так, в отличие от арматуры она работает как пружина и при растяжении конструкции, в которой она находится, стремится вернуть её в исходное положение. При растяже нии армобутобетонного блока с сеткой сильно усиливается несущая спо собность её на растяжение, так как сетка при растяжении в одном направ лении сжимается в поперечном направлении и, соответственно, сжимает бетон в поперечном направлении, а известно, что несущая способность бетона на сжатие в десятки раз больше, чем на растяжение.
Комбинированные «фартуки» (Патент Российской Федерации №2189421) [153,250] монтируются и работают следующим образом: на подготовленное основание дамбы или канала плотно укладываются бетонные плиты толщиной 5-7-10см. На бетонные плиты укладывается слой # высокопрочного раствора толщиной 7-ИО, который выравнивается по вы соте (рис.4.1.3с). На слой высокопрочного раствора укладывается рулон сетки, который в растянутом виде углубляется и присыпается сверху еще небольшим слоем высокопрочного раствора. На сетку и слой раствора плотно укладывается второй слой бетонных плит. Между бетонными бло ками предусмотрены конструктивно-деформационные швы. Комбиниро ванные «фартуки» работают на изгибающие нагрузки таким образом, что растягивающие усилия воспринимаются сеткой, а на сжатие работает либо верхняя часть бетона, либо нижняя часть в зависимости от направления действия активной нагрузки. При больших динамических и статических нагрузках количество слоев бетонных плит в бетонном блоке может быть больше соответственно двух и одного и зависит от величины и направления действия этих нагрузок.
Гидравлика потока в зоне действия дамб является довольно сложным вопросом. Как правило, взаимодействие потока и сооружения схематизируется и носит описательный характер, не вскрывающий сути происходящего явления. В лучшем случае, предлагаются методики расчета берего защитных сооружений, основанные на эмпирических формулах для облег 220 чения процесса проектирования берегозащитных сооружений, и это вполне объяснимо.
В связи с этим, актуальным является разработка научно обоснованного способа для определения необходимой глубины заглубления основания крепления или необходимой ширины фартука, предотвращающего подмыв.
Теория регулирования потоков наиболее полно разработана трудами русских ученых - Е.А. Водарским, М.В. Потаповым, М.М. Гришиным, С.Т.Алтуниным, К.Ф. Артамоновым, А.Н. Гостунским, A.M. Латышенко-вым, В.С.Алтуниным и др. Однако ряд важных вопросов регулирования потоков при защите берегов остаются неясными, а принимаемые методы расчета и конструирования сооружений не могут удовлетворять возросшим требованиям практики. Таковыми являются гидравлика потока в зоне дамб, расчет местных размывов, конструирование поперечного профиля дамб и др.
Известно, что гидравлическое давление потока на преграду зависит от наклона передней грани сооружения.
При наклоне грани под углом 0 к горизонту нормальная составляющая лобовой силы будет изменяться пропорционально лобовой cos (90-0), что может быть выражено коэффициентом VI + т где т = ctg - заложение откоса. Выражение коэффициента справедливо применяется при расчете укреплений откосов земляных сооружений на гидродинамическое давление воды, навалы ледовых полей и речных судов.
