Лекция № 6 Тема: «Производство выправительных и берегоукрепительных работ» План лекции

6.1 Способы и технологии выправительных работ.

6.2 Особенности берегоукрепительных работ.

6.3 Возведение струенаправляющих сооружений.

6.1. Способы и технологии выправительных работ

Основными причинами деформаций русла являются: общее повышение грунтовых вод; потеря степными реками функций естественного дренажа по причине заиления и потери проточности; наличие искусственных факторов, связанных с ухудшением физических свойств грунта на склонах речных долин из-за применения тяжелой техники; отсутствие единой системы регулирования подпорных сооружений.

Выправительные работы - гидротехнические работы на склонах речных долин и в руслах рек, связанные с регулированием действия речных потоков, для обеспечения нормальных условий судоходства или лесосплава, защиты берегов и сооружений от местных подмывов или отложений наносов. С помощью выправительных работ устанавливается равновесие между размывающей силой потока и сопротивлением русла размыву, между количеством поступающих в поток наносов и его способностью транспортировать их далее.

Комплекс выправительных работ на реках включает: закрепление склонов речных долин, благодаря чему уменьшается общее поступление наносов в русло реки и снижается интенсивность эрозия почв; закрытие протоков и спрямление излучин русла, что увеличивает продольные уклоны и средние скорости потока, придавая руслу более устойчивые формы; увеличение глубин русла с помощью землесосов и землечерпательных снарядов; устройство регуляционных и берегоукрепительных сооружений.

Для выправительных работ и сооружений применяются преимущественно местные строительные материалы, из которых изготовляют габионы, фашины, заградительные плетни и заборы, хворостяные тюфяки и защитные каменно-гравийные отсыпки.

Прекращение дноуглубления и выправления отрицательно сказывается на русловом режиме рек. Превышение отметок дна на перекатах в судоходной части русла и понижение отметок побочней может привести к выравниванию глубин по ширине потока, что в свою очередь, обуславливает смещение и неустойчивость его динамической оси, ускорение движения побочней. Конечным результатом неблагоприятного развития неуправляемых русловых процессов может стать значительное (иногда в 2 раза) и трудно прогнозируемое усиление размыва пойменных берегов.

При неправильно выбранных методах и сооружениях выправления рек наблюдается нарушение равенства между фактическим стоком наносов и транспортирующей способностью потока. Создание выправительных сооружений приводит к увеличению глубины и скорости течения.

Возведение регуляционных (выправительных) сооружений, стесняющих русло, или дамб обвалования, предотвращающих затопление пойм во время половодья, обусловливает сосредоточение потока, увеличение удельного значения расхода воды и, соответственно, повышение Rтр, причем, как правило, R<Rтp. Вследствие этого происходит размыв дна русла и общее увеличение R. Местный рост R наблюдается в тех случаях, когда регуляционные сооружения или дноуглубительные прорези оказывают на поток струенаправляющие воздействие, увеличивают угол его подхода к размываемому берегу. Поступающие в поток наносы аккумулируются ниже по течению у выпуклого берега излучины, активизируя её развитие, вызывая повышение отметок дна русла и т.д.

За период с 1942 г. по 1991 г. на р. Белая в целях борьбы с просадками уровней, вызванных разработкой русловых карьеров, было построено более 150 полузапруд, стесняющих поток на большинстве перекатов. Это не только способствовало стабилизации динамической оси потока, но и не допускало существенной посадки уровней.

Обвалование. Обвалование пойм применяется уже очень давно (в Китае, например, более 2000 лет). Широко известны системы обвалования на реках По в Италии, Луаре во Франции, на Тиссе и Дунае в Венгрии и в Пределах территорий других государств. Очень крупные работы по обвалованию рек системы Миссисипи-Миссури выполнены в США. В настоящее время на протяжении многих сотен километров обвалованы Рейн, Висла и другие реки. Развитую систему оградительных дамб имеют долины рек Хуанхэ, Янцзы, Ганга и Брахмапутры, Иравади. Примеры обвалования низких берегов для защиты от наводнений имеются также на наших реках – Кубани, в низовьях Терека, на Немане, Енисее, Припяти, Амуре, Куре, нижнего течения Риони в пределах Колхидской низменности, на Амударье и Сырдарье. Вот уже более ста лет защищена от половодий валами Астрахань.

Чтобы удерживать реку Хуанхэ во время половодья в своих берегах, население Китая издавна сооружало вдоль берегов земляные дамбы. Общая их протяжённость на реке и её притоках достигает 4900 км; расстояние между ними колеблется от 1 до 10-20 км. Устройство дамб повлекло за собой повышение дна вследствие отложения в её русле огромного количества наносов. Повышение дна сопровождалось соответствующим повышением уровня воды и увеличением опасности наводнений. Поэтому приходилось вновь и вновь наращивать дамбы по высоте, и так из года в год на протяжении сотен лет. В результате дно Хуанхэ в ряде мест оказалось выше окружающей местности на 5 м, а в нижнем течении на 6-7 м. В наводнение 1933 г. на обоих берегах Хуанхэ прорвало дамбы, и под водой оказалось более 3000 населённых пунктов, 18 тыс. человек утонуло, пострадало около 3,7 млн. человек. В условиях огромного стока наносов и, особенно, отчленения поймы от русла системами дамб пойменная многорукавность на Хуанхэ отсутствует. Это же обстоятельство является одной из причин отсутствия на реке русловых разветвлений, несмотря на другие условия, благоприятствующие её развитию - неустойчивое русло и аккумуляция наносов. Дамбы оказывают огромное влияние на русловые процессы, сосредоточивая сток высоких вод в сравнительно узкой полосе пояса блуждания, а в самых низовьях рек - непосредственно в их руслах в пределах пойменых бровок, практически исключая пойму из числа факторов русловых процессов и обуславливая горизонтальные русловые деформации вплоть до создания искусственной аналогии врезанного русла.

Неправильное проектирование дамб обвалования иногда приводит к значительным разрушениям. Например, неграмотное проектирование дамибы, защищающей город Абакан от наводнений, выполненное одним из отделений института Гипрогор, основанное на недостаточной по объёму и низком по качеству натурной информации, привело к тому, что ограждающая дамба создала большой подпор, в результате массы воды р. Абакан, обогнув дамбу, устремились в акваторию города. Для предотвращения дальнейшего затопления города дамбу взорвали, что вызвало волну прорыва, которая разрушила нижерасположенный мост через р. Абакан, затопила и разрушила нижерасположенный посёлок Усть-Абакан. Во время наводнения на Кубани в июне 2002 г. защитная дамба была прорвана в своей верхней (по течению) части и послужила подпорным сооружением с обратной стороны: «защищаемая» ею территория была затоплена до отметки, превышающей уровень воды в Краснодарском водохранилище (от которого дамба должна была защищать) на 2,5 м. То есть, не будь «защитной» дамбы, размеры бедствия были бы много меньше; вода же стала уходить с затопленной территории только тогда, когда в дамбе был сделан соответствующий проран.

Спрямление русел. Известны два приёма проведения работ по спрямлению реки. В случае плотного грунта прокладывается новое русло заданного сечения снизу вверх по течению. В случае же слабого грунта устраивается пионерная траншея с площадью сечению, равной 10-20% будущего сечения русла. Затем водный поток сам разрабатывает себе русло. Рекомендуется, чтобы новое русло реки имело небольшую кривизну в плане, это усиливает поперечную циркуляцию воды.

В.В. Докучаев приводит следующее описание размыва русла, организованного крестьянами д. Тайпала в мае 1818 г., когда оз. Сувандо от чрезвычайно сильной прибыли воды стало переливаться через Тайполовский перешеек. «Поселяне д. Тайпала, предвидя угрожающую для своих жилищ опасность и ужасную опасность, и ужасную катастрофу в случае, ежели вода Сувандо бросится через их перешеек, на котором осталось не поднятой водой земли в ширину не более 20 сажен, решилась прокопать тут канаву. Могучая стихия воспользовалась этой канавой в такой степени, какой и не воображали жители Тайпалы. Вода быстро проложила себе путь через оставшийся сухой вал земли, снесла в Тайпале один жилой дом со службами и уничтожила пашню с засевом» (Докучаев В.В., 1949),

В лесосплавной практике применяют спрямление излучин на малых реках путём саморазмыва перешейков между смежными меандрами. Известны случаи спрямления излучин путём саморазмыва и на таких больших реках, как р. Кура. Следует также отметить, что в процессах роста дельты и в формировании рельефа её большую роль играет человек. Так в виде примера можно привести современный проток Терека - р. Прорву, первоначальное образование которой, связано с прорытием оросительной канавы. Есть сведения, что таким же путём образовалась р. Таловка (около 1814 г.) и её рукав – р. Средняя.

Разработка аллювиальных отложений. Разработка аллювиальных россыпей дражным способом по силе антропогенного пресса на речные долины занимают одно из первых мест, так как их воздействие нередко почти полностью нарушает деятельность русловых потоков.

Для промывки грунта из основного потока или его притока отводится часть расхода воды, величина которого определяется мощностью промывочной установки. В случае небольших водотоков он целиком приходит через неё. В результате ниже по течению нарушается русловой режим, вплоть до осушения русла. Карьеры закладываются по руслу часто по всей длине россыпи. При неоднократной отработке россыпи в днище долин рельеф, созданный потоком в бытовом состоянии, почти целиком заменяется на техногенный. Особенности морфологии последнего порождают специфические условия деятельности потока и изменения русла.

Вследствие того, что в результате отработки россыпи, поток оказывается насыщенным большим количеством наносов, русло должно характеризоваться большой подвижностью. Отчасти с этим фактом связано наличие в нём большого числа островов, побочней, которые выступают на поверхность в межень. В то же время, судя по картам и планам отработок разных лет, скорости его горизонтальных деформаций невелики. Последнее связано частично с канализацией русла на отдельных участках и увеличением его дамбами, с другой - «старостью» отвалов и дамб, часто уже освоенные растительностью. Основной причиной относительной стабильности является мерзлота, которая сковывает рыхлые отложения отвалов. Она играет роль цемента, сковывая уплотняющиеся с годами рыхлый материал горных отработок.

Приведенные сведения свидетельствуют, что открытые отработки россыпей существенно влияют на русловые процессы на реках IV-VI порядков. Их влияние приводит к уменьшению, особенно в паводки, расходов воды в результате изъятия большой доли (до 40-50%) тока и заполнения техногенных водоёмов, что сопровождается уменьшением транспортирующей способности руслового потока.

Поэтому все работы по выправлению русел рек должны проектироваться на основании тщательного изучения местных гидрогеологических условий.

Дноуглубительные работы проводятся для обеспечения условий нормального пропуска расходов в реке. Одним из наиболее важных мероприятий по улучшению фарватера и поддержанию его в должном состоянии является выемка руслового грунта. В большинстве защищенных акваторий (гаваней, приливных зон с их внутренними подходными каналами) и в узких руслах рек дноуглубительные работы обычно выполняются землесосным снарядом с грунтопроводом. Такой снаряд представляет собой закрепленный, как буй, плавучий рабочий блок, на котором установлен центробежный грунтовой насос, засасывающий вместе с водой извлекаемый грунт и подающий пульпу по трубопроводу в береговой отвал или в намываемое сооружение. Там, где вынутый грунт надо перевозить на большое расстояние (в глубоководных гаванях или в открытых водах), дноуглубительные работы выполняются с использованием саморазгружающихся барж либо самоотвозным землесосным снарядом.

Для выемки донного грунта используются также землечерпательные снаряды - ковшовые или черпаковые. Первый - это по сути жестконогий деррик, т.е. снаряд штангового типа с ковшом в виде двух- или многостворчатого грейфера; появился он в результате многовекового развития тех примитивных устройств с бадьей и отвальной емкостью, которыми пользовались древние китайцы и ассирийцы при чистке своих каналов тысячелетия тому назад. Многочерпаковый снаряд - это плавучий экскаватор и транспортер; крупные снаряды этого типа достаточно мощны, чтобы прокапывать дно в относительно мягких песчаных и глинистых породах. Выемка донного грунта, состоящего из более крепких пород, осуществляется после бурения и проведения взрывных работ в ложе фарватера.

Каналы. Прокладка каналов необходима в тех случаях, когда река либо слишком извилиста, либо недостаточно многоводна, чтобы можно было проложить фарватер дноуглубительными или русловыправительными методами.

При выполнении регуляционных мероприятий на реках необходимо уходить от их кардинальных преобразований. Общим положением здесь должно быть стремление к минимальному нарушению морфологии русла и поймы, которые могут оказаться в зоне паводка и интенсивных размывов. Все искусственные изменения русловых форм должны соответствовать тенденциям руслового процесса на рассматриваемом участке реки.

Форма спрямления пойменных извилин или расчистка русла, являются удобными и приемлемыми мероприятиями, к которым поток стремится в естественных условиях паводка.

Изменение морфологии русел посредствам подрезки побочной и углубления отдельных участков реки в зоне аккумуляции наносов должно нести локальный характер. Причем спрямление здесь нужно производить по старицам, протокам. В этом случае искривление течения и размывы берегов будут минимальными, и поток будет, стремится, возвратится в прежнее русло.

При выпрямлении потока регуляционными сооружениями, расположенными в его сечении (шпорами) их очертание следует принимать вогнутой формы, размещая их с учетом направления многолетних деформаций береговой линии и плавного ввода потока в русло.

При переносе отдельных участков водооградительных валов, близко находящихся от кромки берега, вглубь территории, должно осуществлятья не произвольно, а с учетом плавного сопряжения новых участков со старыми, чтобы не было местных водоворотов, интенсивной деформации берегов и очаговых разрушений русла.

На участках длительного однонаправленного размыва берегов реки, дамбы должны располагаться в наибольшем удалении от русла или при близком расположении капитально крепиться. На участках соответствующих зонам намыва, или стабильных участках, дамбы обвалования могут располагаться в непосредственной близости от берега. На участках с побочевым типом процессов и элементами ограниченного меандрирования, где наблюдается неустойчивость зон деформаций в плане, во времени и пространстве, а периодичность смены направлений деформаций определяется скоростью их «сползания», то есть смещения побочней и излучин, валы должны располагаться за пределами линий, огибающих вершины излучин или основания побочней.

Вблизи крупных городов, поселков и урбанизированных территорий там, где паводок сопряжен с возможностью разрушения зданий и сооружений и их сползания, затопления строений, жилых массивов, кроме валов и дноуглублений должны выполняться закрепление прилегающих откосов территорий шпунтовыми рядами, подпорными стенками и стационарное крепление откосов русла самой реки бетонными и железобетонными покрытиями и блоками. При проведении новых строительных работ и реконструкции существующих противопаводковых сооружений, плодородный почвенный слой толщиной 0-25 и 0-50 см (в зависимости от его мощности) подлежит снятию, перемещению во временные кавальеры и хранению.

Общие принципы подходов к обоснованию противопаводковой системы реки, выбора технических решений и определения основных рабочих параметров сооружений должны в первую очередь основываться на многолетнем положительном опыте работы подобных сооружений и строгих инженерных расчетах, соответствующих максимальным нагрузкам паводка расчетной обеспеченности. Проектируемые сооружения должны охватывать наиболее опасные, критические участки реки, подверженные эрозии русла и абразии берегов, а также существующих дамб обвалования не отвечающих нормативным и эксплуатационным требованиям по высотным, линейным параметрам и их надежности при прохождении паводка расчётной обеспеченности.