Содержание к диссертации
Введение
1 Берегоукрепления и берегозащита на внутренних водных путях 3
1.1 Конструкции берегоукреплений и берегозащитных сооружений 3
1.2 Берегоукрепительные сооружения и средства, повышающие устойчивость берега против разрушения (пассивного действия)
1.3 Берегоукрепительные сооружения, активно влияющие на гидравлическую структуру потока.
2 Особенности разрушения берегов, сложенных вечномерзлыми грунтами
3 Исследования взаимодействия берегозащитных шпор с обтекающим потоком
3.1 Обтекание незатопленных сооружений при малых степенях стеснения. Определение оптимальных междушпорных расстояний.
3.2 Образование воронки размыва у головы берегозащитной шпоры. Совершенствование расчета и рекомендации по предотвращению ее образования .
4 Оперативная расчетная оценка потерь от уноса крупнообломочного грунта и камня под воздействием течения при отсыпке берегозащитных сооружений
5 Изучение особенностей экологического состояния рек на урбанизированных участках. Рекомендации по способам берегозащиты
6 Натурные исследования и опыт применения спутниковых систем при проектировании берегозащитных мероприятий
Заключение 98
Библиографический список 100
- Берегоукрепительные сооружения и средства, повышающие устойчивость берега против разрушения (пассивного действия)
- Особенности разрушения берегов, сложенных вечномерзлыми грунтами
- Образование воронки размыва у головы берегозащитной шпоры. Совершенствование расчета и рекомендации по предотвращению ее образования
- Оперативная расчетная оценка потерь от уноса крупнообломочного грунта и камня под воздействием течения при отсыпке берегозащитных сооружений
Введение к работе
Береговые укрепления, как известно, являются одним из важнейших мероприятий по обеспечению стабильности судоходных трасс и обеспечению безопасности движения флота на внутренних водных путях. Широко используются они и в других видах гидротехнического строительства. Поэтому проблема проектирования, строительства берегоукреплений во все времена привлекала внимание учёных и инженеров [24]. Однако, несмотря на многочисленные серьёзные исследования научных учреждений и многолетний практический опыт строительства и эксплуатации берегоукреплений на внутренних водных путях, как нашей страны, так и за рубежом, нередки случаи неудачных работ, разрушения и аварий берегоукреплений, что свидетельствует о целесообразности и необходимости дальнейшего усовершенствования проектирования, строительства и эксплуатации сооружений и средств защиты берегов от разрушения. Об этом свидетельствуют труды отечественных [35, 36,40] и зарубежных учёных и практиков [123, 124].
Накопленный за последние десятилетия большой производственный опыт и многие капитальные научные исследования по проектированию, строительству и эксплуатации берегоукреплений позволяют на базе этого опыта и разрозненных результатов научных проработок провести новые теоретические и экспериментальные работы и предложить новую, более совершенную методику проектирования надежных и экономичных берегоукреплений и берегозащитных сооружений.
Возобновление прежних объемов берегоукрепительных и берегозащитных работ на базе новых научных решений и современной изыскательской техники необходимо для развития воднотранспортной и водохозяйственной деятельности и поддержания внутренних водных путей в нормальном экологическом состоянии. Приведенное мнение подтверждается современным опытом эксплуатации внутренних водных путей, включая берегоукрепительные и берегозащитные работы, в транспортно развитых странах Западной Европы и США [126, 129, 131, 132]. В странах европейского экономического союза наций дноуглубление и берегоукрепление на внутренних водных путях рассматривается как мощное средство экологического оздоровления рек. Разработана многолетняя программа прекращения размыва берегов и снятия загрязнённых донных отложений земснарядами с последующим обеззараживанием и устранением токсических загрязнений извлечённого грунта и переработки его на строительные материалы. Для организации и контроля выполнения программы создана межнациональная комиссия во главе с итальянским профессором Рипа Ди Миано. Программа успешно выполня [ ется, и привела к существенному экологическому оздоровлению рек Темзы, Рей на, Эльбы, Сены, По и других [119].
В нашей стране деградация состояния внутренних водных путей сказывается не только на транспортном комплексе, удорожая перевозки из-за недогруза флота при уменьшении судоходных глубин, но и на экологии и жизнеобеспечении регионов. Нельзя забывать, что проведением берегоукрепительных работ на внутренних водных путях были сделаны пологими с укреплёнными берегами десятки крутых поворотов на реках Лене, Иртыше, Оби, Конде, Чулыме, Каме, Белой и других, главным результатом которых было увеличение пропускной способности пути. Вторичным эффектом мероприятий было существенное снижение
вероятности ледяных заторов при весеннем или осеннем ледоходе. На Иртыше опасные заторы прекратились. На Лене и Алдане трагические события наводнений 1998 и 2001 годов в какой-то мере, были вызваны и прекращением русло-формирующей деятельности и защиты берегов от размыва, в том числе по регулированию ледообразования и наблюдения за вскрытием ледового покрова на реках не только на гидрологических постах Росгидромета, но и по всему протяжению реки.
Разработка земснарядами судоходных прорезей устраняла застойные зоны с водоворотными течениями, а отвалы грунта зачастую использовались как удобные пляжи для отдыха населения. Свёртывание путевых работ на внутренних водных путях ухудшает рекреационную роль наших рек.
Берегоукрепительные сооружения и средства, повышающие устойчивость берега против разрушения (пассивного действия)
Подытоживая изложенное, нужно отметить, что выбранный путь защиты берегов Новосибирского водохранилища в целом оправдал себя. Об этом говорит сравнительно высокий удельный вес хорошо сохранившихся сооружений, которые были построены после 1984 г.: 84,7% против 15,85%. Последнее тем более справедливо, что размыв искусственных пляжей - процесс совершенно естественный: это сооружения, со временем изменяющие свои плановые очертания и уменьшающие объем под воздействием волн и течений. Можно уверенно полагать, что и на других водохранилищах сооружения такого типа будут не менее эффективны.
Эффективность защиты берега намывом пляжа в среднем течении рек была проверена на р. Иртыше в районе жилого поселка и судоремонтных мастерских Омского технического участка пути. Пляж длиной (вдоль берега) 250 м был намыт в мае - июне 1958 г. из песка средней крупности; заложения откоса от 4 до 12. Объем намытого грунта 40 тыс. м . Стоимость работ - 6 тыс. руб. Несмотря на значительные скорости течения (вдоль пляжа) до 0,97 м/с в половодье и до 0,74 м/с при проектном уровне, пляж эксплуатировался в течение 10 лет без какого-либо ремонта. Из схемы, показанной на рис., видно, что за прошедший период песок пляжа был несколько смыт, но берег все же остается пологим, поэтому восстановить первоначальный профиль таких сооружений дополнительным рефулированием несложно [40].
Метод защиты берегов от разрушения намывом пологого пляжа применим и на реках в их устьевых участках и среднем течении. Большие работы по укреплению берега были выполнены на р. Яне в районе пос. Нижнеянск. Левый берег, в верхней части сложенный из илистых супесей с прослойками торфа, пылеватого песка и жильного льда, разрушался, отступая в отдельные годы от 10 до 12 м. При этом в береге образовывались ниши глубиной от 1 до 5 м, иногда до 10 м. При обвале торфянистых масс тепловое воздействие резко уменьшилось и разрушение берега приостановилось на 1 год, пока торф не разрушился под механическим воздействием течения и судовых волн. Укрепление берега на протяжении 2,5 км было произведено отсыпкой пляжа из мелкого гравия с заложением откоса 1:3. Наблюдения показали, что укрепление работает удовлетворительно. Наличие небольших уступов на откосе указывает, что происходит незначительный смыв гравия в результате воздействия течения воды и судовых волн - при этом отмечается заметное влияние волн от скоростных пассажирских судов типа "Заря".
Следует, однако, учитывать, что при намыве на реках пляжей из мелких песков со значительной примесью ила их служба непродолжительна и повторный намыв обходится дорого. Были случаи полностью неудачных попыток намыва пологих откосов, например, на реке Иртыш в г.Семипалатинске и г.Ханты-Мансийске. Поэтому, прежде чем принять решение о намыве пляжа, надо провести тщательный анализ гидрологических условий и гидравлические расчёты для прогноза воздействия течения и волн на намытый пляж [41]. Кроме изложенных типов, для защиты берегов разрабатывались и применялись другие конструкции берегозащитных сооружений. Например, для значительного увеличения межремонтного периода на протяженных сооружениях бе-регозащиты применялись так называемые «зоны искусственного насыщения» потока наносами, представляющие собой периодические по длине крепления отсыпки дополнительных объемов пляжеобразугощего песка сверх объемов, необходимых для формирования строительного профиля. Эти зоны можно создавать в комплексе практически со всеми рекомендуемыми конструкциями. Так, для защиты участка в верховьях Рыбинского водохранилища, находящегося в нежестких волновых условиях, была использована конструкция в виде пляжа из мелких песков в комплексе с пляжеудерживающими прерывистыми посадками водной растительности. Дарвинский заповедник и лаборатория Института биологии внутренних вод АН СССР разработали рекомендации о видовом составе таких растений. Посадку предполагалось выполнить стратифицированно по глубине отмели соответствующими видами растений. На период укоренения и приживаемости растений предусматривалась их защита от волнового воздействия временными сооружениями [7].
На Волго-Балтийском водном пути имени В. И. Ленина берега некоторых участков канала предохраняли от разрушения устройством пологих откосов. Проектный профиль создавался экскаваторами, земснарядами или гидромониторами. Глинистые и суглинистые берега были спланированы под малым уклоном (до 1:10), но через 5-10 лет они сильно деформировались, стали обрывистыми с перманентным разрушением. Пришлось провести работы по устройству прочного крепления, которого хотели избежать.
Особенности разрушения берегов, сложенных вечномерзлыми грунтами
Районы с преобладанием вечной мерзлоты занимают более половины территории России. Многолетние наблюдения вечномерзлых берегов рек Северо-Востока нашей страны, наиболее значительные из которых проведены Н.Б. Барышниковым [12], Ф.Е. Арэ [6], Н.Г. Рудых [90], Б.А. Вильнером [23], Н.Ф. Григорьевым [33, 34], Л.А. Жигаревым [51] и другими [54, 60], говорят о том, что влияние вечной мерзлоты существенно сказывается на характере и скорости разрушения береговой полосы.
Исследования вышеперечисленных ученых разрушающихся вечномерзлых берегов показали, что можно выделить три основных типа берегов отличающихся по способности выдерживать разрушающие воздействия течения реки и волн: 1. Образованные кембрийскими породами, преимущественно известняками и доломитами. 2. Сложенные юрскими породами, главным образом, песчаными и глинистыми сланцами. 3. Состоящие из рыхлых четвертичных отложений.
Первый и второй тип берегов устойчив к размыву и в дальнейшем не рассматривается. Берега, относящиеся к третьему типу (термоэрозионные), легко разрушаются речным потоком и поэтому более подробно рассмотрены в данной работе.
Для берегов рек зоны вечной мерзлоты, сложенных рыхлыми четвертичными отложениями (как правило, высокольдистыми), свойственно развитие процесса разрушения берега и подводного берегового склона, сложенных вечномерзлыми, многолетнемерзлыми грунтами и льдом, под совместным тепловым и механическим воздействием потока. Данный процесс называется термоабразией (термоэрозией).
Именно берега последнего типа при своем разрушении являются источниками поступления в реки наносов, которые, аккумулируясь ниже по течению, активно влияют на русловые процессы. Примером такого явления служит Песчаная гора напротив Графского берега на реке Лене (1529 - 1535 км от устья) - в результате разрушения берега на этом участке, в реку ежегодно поступает более 1 миллиона кубометров наносов; вторым примером является разрушающийся на реке Лене вечномерзлый берег основания горы Ыт-Халбет протяженностью 8 км, а также размываемая правобережная терраса реки Лена в районе поселка Нижний Вестях. Подобные явления наблюдаются и на других реках Северо-востока. Так на реке Вилюй размывается вечномерзлое основание горы Кысыл-Хая в районе переката Васькина протока (238 - 242 км от устья) Из вышесказанного очевидна значимость учета особенностей разрушения вечномерзлых берегов для решения задач по определению эффективных методов берегозащиты.
Термоэрозионные берега рек Северо-востока страны: Лены, Колымы, Индигирки, Яны и их притоков образованы преимущественно пойменной и первой надпойменной террасами с высотой берегового уступа 6-10 м и, в некоторых случаях, второй и третьей надпойменными террасами высотой 25-30 м. По всей длине береговой зоны этих рек происходит чередование участков размыва и аккумуляции. Между ними наблюдаются переходные относительно устойчивые участки. Относительно устойчивые берега представляют собой переходные участки и не имеют широкого распространения. Береговой склон этих участков пологий, верхняя часть, как правило, задернованная и поросшая кустарником. Подводный береговой склон имеет обширный пляж (рисунок 2.1).
Характер и интенсивность разрушения берега зависят от многих факторов, наиболее важными из которых являются: направление течения реки по отношению к берегу, скорость течения, особенности ледовых воздействий, например, торошения или выпирания льда на берег, время и высота уровней воды в половодье, геологическое строение берега, наличие и характер многолетней мерзлоты, цементирующей рыхлые грунты, и распределение температуры по высоте откоса берега. В разрушении берега большую роль играют обвалы, осыпи, размыв ветровыми и судовыми волнами, наличие и величина прибрежных вихревых зон.
Движение воды в реке приводит к увеличению теплоотдачи воды, удалению продуктов разрушения берега, тем самым обеспечивая практически постоянную значительную крутизну подводного откоса берега. Характер профиля берегов изменяется так же в зависимости от литологического состава грунтов и их сложения. Пески размываются очень легко, более устойчивы суглинки и глины, очень трудно размывается дерн.
Встречаются берега, имеющие вертикальный обрыв незначительной высоты, иногда небольшую эрозионную нишу в верхней части и обширный пляж в нижней части берегового склона. Такие берега, как правило, размываются при высоких уровнях воды в половодье, и с падением уровней вдоль них образуется зона аккумуляции наносов (рисунок 2.5).
Для активно размываемых берегов в зоне вечной мерзлоты характерно образование вертикальных обрывов или ниш с нависающими козырьками-карнизами от 1 до 15 метров в поперечнике (в глубину) и протяженностью в плане от десятков до нескольких сотен метров (рисунок 2.6).
Образование воронки размыва у головы берегозащитной шпоры. Совершенствование расчета и рекомендации по предотвращению ее образования
Наряду с положительным влиянием на устойчивость защищаемых участков берегов против воздействия течения, волн и ледохода одновременно проявляются и негативные воздействия шпор в виде местного размыва у их голов с образованием глубоких воронок, ухудшающих устойчивость сооружений и приводящих к повреждению голов в первые годы эксплуатации берегозащитной системы [16, 17]. Происходит это потому, что в конечном итоге действие шпор выражается в отклонении от берега части потока, ранее протекавшего вдоль него, и в увеличении скорости течения у головы шпоры, вызывающем размыв. Наблюдения показывают, что отклоняемый шпорой поток сосредотачивается у головы шпоры, поэтому вполне естественно здесь возникают значительные деформации дна. Размыв дна у головы сооружения продолжается до тех пор, пока не создастся новая форма живого сечения, достаточная для пропуска дополнительного расхода воды, отжатого сооружением; после этого речной откос шпоры становится устойчивее.
Интенсивность, характер и размер циркуляционных течений, а следовательно, форма и глубина воронки размыва дна у шпор зависят от ряда гидравлических, геологических и конструктивных параметров.
Анализ результатов лабораторных и натурных исследований показал, что глубину воронок размыва у голов полузапруд и шпор изучали СТ. Алтунин, И.А. Бузунов, Е.Н. Грачев и другие [2, 31, 32, 72, 79, 95, 125] однако только для условий рек Средней Азии, где нет ни вечной, ни сезонной мерзлоты, а русло сложено из мелких пылеватых песков и очень подвижно. Глубина воронок размыва, определенная по таким эмпирическим формулам значительно превышает фактические размывы у голов поперечных регуляционных сооружений на Лене и ее притоках, где русло сложено галькой и крупными песками с наличием веч-номерзлых грунтов в подстилающих слоях.
На основе обобщения новых натурных данных и после внесенных дополнений в эмпирическую формулу, предложенную А.Д. Курносовым [70], более полно учитывающих влияние на глубину воронки заложения речного откоса головы шпоры и вида донного аллювия в русле, нами была получена региональная зависимость для прогноза глубин воронок размыва у
По результатам расчетов, для обеспечения безаварийной работы сооружений, заложение речного откоса головы должен составлять значение 5-6, при которых не будет образовываться воронка размыва. Заложение речного откоса менее 3-4 может привести к неблагоприятным последствиям при эксплуатации сооружений и даже к из повреждению и дальнейшему разрушению потоком.
Это подтверждается результатами натурных исследований на р.Лена на модели берегозащитной шпоры, отсыпанной из среднезернистого песка в одной из Городских проток. По полученным данным, если заложение речного откоса будет меньше 4 (а такое возможно при отсыпке сооружений сухопутной землеройной техникой с береговых резервов грунта), активно образуется воронка размыва, а при колебаниях уровней воды (и особенно при их резком снижении) сочетание факторов заложения откоса и изменения несущей способности грунта, может привести к потери устойчивости головы сооружения, неконтролируемым осадкам головной части и образованию деформационных трещин (рисунок 3.3).
При сбросе в воду строительных материалов - камня, гальки или песка в процессе строительства берегозащитных шпор неизбежны потери от уноса течением реки за пределы геометрических габаритов запроектированных сооружений. Величина уноса зависит от крупности материала, скорости течения, глубины потока, технологии отсыпки и ряда других менее значимых факторов. По данным [40, 41, 44, 91, 92] наиболее существенны потери несвязного (песчаного) грунта из-за уноса при намыве землесосами или отсыпке с грунтоотвозных судов плавучими кранами.
Сравнение потерь строительных материалов от уноса течением в процессе строительства в зависимости от гранулометрических характеристик материала, типа механизации и технологии работы, дало следующие результаты.
При намыве отвалов (в том числе и промежуточных) значительная часть извлеченного грунта неизбежно будет выноситься потоком за пределы габаритов запроектированного сооружения или отвала. На величину уноса при намыве главным образом влияют гранулометрический состав грунта, скорость течения в створе намыва, степень стеснения потока системой сооружений, угол между осью намываемого сооружения и направлением потока. Кроме того, на величину уноса грунта также влияет масса случайных факторов, которые в проекте трудно заранее предвидеть: насыщенность пульпы, плановые формы русла, тип и особенности донного грунта в конкретном месте разработки землесосом и многие другие случайные обстоятельства, включая так называемый «человеческий фактор» - ошибки крановщиков или бульдозериста, что невозможно оценить расчетом.
Приближенно объем уноса грунта при намыве в воду, как среднюю величину для всего процесса намыва сооружений, можно определить по номограмме В.В. Дегтярёва [40]. Однако, существующие относительно надежные методы определения уноса грунта применимы только для фракций диаметром не более 0,001-0,005м. Для крупнообломочных грунтов подобные методики еще недостаточно разработаны или очень сложны для практического расчета [27, 55, 56]. В данной работе предлагается методика упрощенного оперативного аналитического расчета по оценке дальности уноса крупнообломочных фракций несвязных и скальных грунтов.
Оперативная расчетная оценка потерь от уноса крупнообломочного грунта и камня под воздействием течения при отсыпке берегозащитных сооружений
Проведение активных берегозащитных мероприятий, как перераспределяющих расход воды прорезей, так и берегозащитных оградительных дамб, шпор и донных бун, требует учета изменения поля скоростей реки с образованием тиховодов и заводей [11, 15, 39], становящихся накопителями всевозможных загрязнений, выносимых с акваторий портов, где выполняются грузовые и бун-керовочные операции с нефтью и нефтепродуктами, а особенно в зонах впадения притоков, сток которых перенасыщен промышленными и хозяйственно-бытовыми (нередко токсичными) загрязнениями [42].
Соискателем проведены исследования [108] влияния данного явления на водоснабжение и речной аллювий реки Оби в зоне города Новосибирска, где впадают отравленные промышленностью Кузбасса и местными атомными производствами притоки, а реку пересекают нефте- и нефтепродуктопроводы, сбрасываются неочищенные сточные воды при нередких авариях канализационных систем и т.д. Таким образом, г. Новосибирск с его полуторамиллионным населением может служить примером использования урбанизированной реки, изымая из нее сравнительно отстоявшуюся и естественным путем самоочищенную воду Новосибирского водохранилища. Хотя даже в водохранилище качество воды, по данным Верхне-Обского бассейнового водохозяйственного управления, за последнее десятилетие понизилось на целый класс. В черте города вода забирается в огромных количествах для питьевых, хозяйственно-бытовых и промышленных целей. Обратно в реку Обь сбрасывается не меньший объем промышленных и хозяйственно-бытовых стоков, включая и поверхностный загрязненный сток с территории города, а также сток загрязняющих веществ по притокам, текущим из Кузбасса. Это реки Иня, Тула, Каменка, Ельцовка 1 и 2, которые совместно со сбросным каналом ТЭЦ-2, коллектором завода Химконцентратов являются основными загрязнителями р. Обь, даже большими чем остальной город. Чрезвычайно высокий уровень загрязнения р. Иня в черте Новосибирска обусловлен исключительно высокой средней величиной содержания промышленных химических загрязнений, превышающих условную ПДК в среднем 42 раза. При этом наблюдавшаяся единственный раз максимальной величины содержания взвешенных веществ достигала 2957,5 мг/л (704 усл. ПДК).
Основными загрязнителями р. Тулы в её верховьях являются объекты сельского хозяйства. На уровень загрязнения этой реки в черте Новосибирска решающее влияние оказывают предприятия Кировского района, а также высокое вторичное загрязнение, поскольку вследствие многолетнего использования реки в качестве приёмника сточных вод и места свалки промышленного и бытового мусора, русловые и береговые отложения р. Тулы буквально «забиты» загрязняющими веществами.
Безусловной зоной экологического бедствия являются реки Каменка, Ель-цовка 1 и 2. Эти реки испытывали и продолжают испытывать на себе антропогенное воздействие того же характера, что и р. Тула, в связи с чем уже давно превратились в придаток канализационной сети города. Особенно опасным является загрязнение реки Ельцовка 2 и самой Оби в районе Красного Яра, ниже мостового перехода автодороги «Байкал», где расположены выпуски радиаци-онно загрязненных вод Новосибирского химкомбината. Проводившееся захоронение радиационных загрязнеий донного аллювия и затопляемых в половодье песчаных отмелей у злополучных выпусков эффективных результатов не дало. Результаты натурных наблюдений и лабораторных исследований соискателя показали следующее:
Донные отложения являются аккумуляторами загрязняющих веществ, а поэтому даже после прекращения их поступления в водный объект, восстановление качества воды будет продолжительным процессом, связанным с явлением вторичного загрязнения водной среды путем перехода загрязняющих веществ обратно в воду.
Объем проведенных исследований донных отложений р. Обь в пределах городской черты крайне невелик и продолжение проведения таких наблюдений - насущная необходимость. Не говоря уже о совершенно мизерных сведениях о количественных и качественных параметрах процесса десорбции. Наблюдения за состоянием дна водотоков ниже центров урбанизации позволяют обнаружить характерные признаки загрязнённости дна на расстоянии 10 - 15 км ниже по течению.
В списках загрязняющих веществ одно из первых мест занимают тяжёлые металлы. Это связано с их высокой токсичностью и способностью распространяться на большие расстояния от источников выброса. В отличие от органических загрязняющих веществ, которые со временем утилизируются в водоёме в процессе биологического круговорота, соединения тяжёлых металлов способны сохранять токсичность практически бесконечно, т.к. даже при их превращениях основной компонент соединения - металл, остаётся неизменным.
Поэтому, первым шагом по освещению затронутой проблемы стало проведение автором натурных работ по взятию проб донных отложений р. Обь в черте г. Новосибирска и последующее проведение гранулометрического и химического анализа полученного грунта. А также последующее сравнение полученных результатов с имеющимися данными по состоянию загрязненности донных отложений, которые были получены в результате работ Западно-Сибирского Центра мониторинга загрязнения природной среды.
При взятии проб автором в августе 2000 г. с катера КС-100, с помощью донного щупа, толщина слоя составляла 3-5 см. Места расположения точек отбора выбирались из условия ожидаемых величин загрязнения, т.е. в устьях загрязненных притоков (р. Тула, Иня), района очистных сооружений и совмещенного выпуска городской ливневой канализации и р. Каменка.
Похожие диссертации на Сооружения активного типа для защиты берегов рек от разрушения
