- •Раздел I
- •Теоретические основы инженерной геодинамики
- •Глава 1
- •Глава 2
- •Техногенные геологические процессы и явления
- •Подготовительные и определяющие процессы и явления
- •Глава 4
- •Геологические системы и их модели, по а. А. Махорину (Теоретические основы..., 1985)
- •Глава 5
- •Классификация (сопоставление) природных геологических и инженерно-геологических процессов (по и. В. Попову, 1951)
- •Глава 6
- •Раздел II
- •Эндогенные геологические процессы и явления
- •Глава 7 сейсмические явления
- •Природные землетрясения
- •Причины землетрясений
- •Оценка силы землетрясений
- •Глава 8
- •Глава 9
- •Раздел III
- •Природные и техногенные экзодинамические процессы и явления
- •Глава 10
- •Глава 1 1
- •Переработка берегов
- •Глава 12 эрозионные процессы
- •Средние скорости течения рек, по г. П. Горшкову и л. Ф. Якушевой (Горшков, 1982)
- •Глава 13
- •Глава 14
- •I группа факторов, изменяющих свойства горных пород, слагающих склон или откос
- •II группа факторов, изменяющих напряженное состояние горных пород прноткосного массива
- •Характерные признаки оползневого процесса на отдельных стадиях его развития
- •I. Подготовительная стадия
- •Методы прогнозов оползневых процессов (по Современные методы»., 1981)
- •1 Фактическое число проявлений по годам; 2 — их прогнозное значение.
- •Глава15
- •I Преобладает пылеватая фракция (0.05-0.002 мм) с содержанием более 50 %. Глинистая фракция (диаметром менее 0.002 мм) не превышает 25-30 %
- •Глава 16 карстовые явления
- •I, II, III и IV — вертикальные; а,БиВ — горизонтальные
- •Оценка закарстованности и прогноз устойчивости территорий и сооружений
- •Глава 17
- •Глава 18
- •Глава 19
- •Глава 20
состояние моря, характеризующееся волнением, приливно- огливпыми явлениями и интенсивностью течений.
В естественных условиях взаимодействие воды и суши в конечном счете стремится к созданию условий определенного равновесия в устойчивости территории. И любое техногенное вмешательство может привести к непредсказуемым последствиям. Примеров этому можно привести много. Так, непродуманное заложение подпорной стенки в пределах пляжа в районе Курортного комплекса на мысе Пицунда (Грузия) привело при сильном шторме в январе 1969 г. к смыву наносов, разрушению самой стенки и подмыву оснований трех санаторных корпусов. На юго-восточном побережье оз. Байкал строительство волнозащитного мола в одном из портов способствовало перехвату молом потока вдоль береговых наносов и аккумуляции их с южной стороны сооружения, севернее которого создался дефицит наносов, увеличился размыв берега, в результате чего активизировались оползневые процессы, угрожающие Транссибирской железнодорожной магистрали.
Прибрежную зону и особенно береговую линию формирует ряд пожных процессов. Во-первых, это процесс абразии — разрушение берегов под воздействием волновых процессов и морской воды. О. К. Леонтьев и Г. И. Рычагов (1988) различают три вида абразии — механическую (разрушение пород под действием удара волн и прибоя), химическую (растворение коренных пород морской водой) и термическую (разрушение берегов, сложенных мерз- ]ыми породами или льдами, в результате отепляющего действия морской воды на лед). Во-вторых, это перенос и отложение размытого материала. Оба этих процесса определяют характер и морфологию береговых зон.
Морфология и элементы рельефа берегов. Если говорить в целом об океанических бассейнах, то они имеют следующие главные элементы рельефа (рис. 11.1): береговая (литоральная) зона, шельф, континентальный склон и океаническая платформа.
Береговая (литоральная) зона представляет собой часть надводного и подводного берегового склона. Подводный склон включает и 1яжи и прибрежное мелководье. В пределах береговой зоны может быть рассмотрено два случая взаимоотношения моря и с\ши (рис. 11.2). В случае высокого крутого абродируемого берега происходит формирование волноприбойной ниши, галечный пляж гяиется от обычного уровня малой воды до подножия береговых (.кал, около которых находятся крупные глыбы и обломки пород, сглаженные волнами. Вдоль прямых скалистых берегов пляжи образуют непрерывные шлейфы, а на извилистых крутых берегах
173
Рис.
11.1. Главные элементы рельефа океанических
бассейнов.
1
— уровень моря; 2 — суша; 3
— мелководная зона; 4
— глубоководная зона; 5
— литоральная
зона; б—шельф;
7—континентальный
склон; 8—
океаническая
платформа.
Рис,
11.2. Морфологические особенности
литоральной зоны на высоких крутых (а)
и отлогих (б) берегах.
1
— средний уровень моря; 2 — уровень
прилива; 3
— уровень отлива; 4
— береговс; уступ; 5 — волкоприбойкая
ниша; б
— приливно-отливная полоса; 7
— абразиоккк терраса; 8
— аккумулятивная терраса; 9
— береговой вал; 10
— подводная примог ская равнина; 11
— бар; 12
— подводный вал; 13
—лагуна.
174
очень
часто
они развиваются лишь в закрытых бухтах,
ограниченных
мысами.
На низких равнинных аккумулятивных
берегах, сложенных
рыхлыми
отложениями, в состав пляжных образований
входят
ил,
песок, реже мелкий гравий. Очень часто
на таких берегах
в
зоне наката формируется береговой вал,
а на подводной бе- реювой
отмели
отмечаются подводные валы и выступающие
над уровнем моря бары. При отчленении
берегов от моря барьерными островами
образуется
лагуна, прибрежная часть которой,
Сложенная
мелкодисперсным
материалом, быстро зарастает
растительностью,
превращаясь
в прибрежные болота или марши (Говард,
Ремсон, 1982).
Континентальный
шельф
— это неглубокая пологая поверхность
морского
дна, представляющая собой окраины
континентов и
прослеживающаяся
широкой полосой (до нескольких сотен
ки- юметров) вдоль периферии материков.
Максимальная глубина шельфовой зоны
не превышает 200 м у ее внешнего края.
Поверхность
шельфа
разнообразна, в одних местах дно сложено
коренными
скальными
породами, в других — рыхлыми образованиями
— валунами, галькой, песком и илом. На
ней наблюдаются подводные русла, гряды,
замкнутые депрессии и т. п. В настоящее
время
в
связи с разведкой и эксплуатацией
месторождений полезных
ископаемых,
и в первую очередь нефти и газа, шельфу
уделяется
большое
внимание. В первую очередь большие
задачи стоят перед
инженерной
геологией, ибо проектирование и создание
крупных
комплексов
различных сооружений немыслимо без
знаний
конкретных
инженерно-геологических условий.
Континентальный
склон
начинается за областью шельфа на
глубинах 150—200 м. Здесь морское дно
быстро увеличивает свой наклон в сторону
океана, при этом в верхней части наклон
состав- тяет
1:100,
постепенно уменьшаясь к подножию.
Ширина континентального
склона
колеблется от 15 до 30 км, его погружение
лостигает двух тысяч метров (Аллисон,
Пальмер, 1984). Во многих местах
склон
рассекают V-образные
глубокие депрессии типа юлин, называемые
подводными каньонами. Они действительно
напоминают речную сеть и очень часто
лежат на продолжении )стьев крупных
рек — Конго, Инд, Гудзон, Колумбия.
Интересно отметить
и
такой факт, что на подводных склонах
Байкальской впадины также обнаружены
подобные формы. Находясь против \иьев
селеопасных
рек, они, поглощая выносимый селевыми
потоками
материал,
увеличиваются в размерах за счет
эрозионной деятельности турбидитных
течений (мутьевых потоков), представ-
тяющих
собой
нисходящие под действием силы тяжести
потоки воды,
обогащенные
взвешенными глыбами и обломками горных
пород.
Океаническая
платформа,
или абиссальная (глубоководная) равнина,
представляет
собой ложе океана — плоские участки
подводного
рельефа,
занимающие значительные территории.
Это ак- к\мулятивные поверхности,
располагающиеся на глубинах 3000—
175
6000
м,
сложенные осадками, вынесенными с
континентальных склонов и выпавшими
из толщи океанической воды. Вместе с
тем нужно подчеркнуть, что океаническое
дно или океаническая платформа имеют
довольно расчлененный рельеф, который
характеризуется чередованием плоских
глубоководных равнин, широких плавных
поднятий, отдельных горных вершин и
хребтов и глубоководных впадин —
желобов. Последние являются самыми
пониженными участками дна океанов
и тяготеют к зонам повышенной сейсмической
активности.
Факторы,
определяющие развитие морских берегов.
Основным
фактором формирования и развития
берегов является волнение.
Волновые движения в глубокой воде
(открытое море) с кинематографической
точки зрения представляют собой эффект
движения смежных частиц по круговым
орбитам. Радиус таких орбит для частиц
на поверхности воды равен половине
высоты волны, измеряемой по вертикали
между наивысшей (на гребне) и наиниз-
шей (на спаде) точками волны (рис. И.З).
Описываемые частицами орбиты следуют
друг за другом в направлении распространения
волны, создавая впечатление ее движения,
однако вперед продвигается только
форма волны, подобно волнам, идущим по
хлебному полю, абсолютное же большинство
частиц воды в действительности
остается на месте, испытывая лишь
колебательные движения В связи с этим
А. Д. Говард и И. Ремсон (1982) эти волны
назвали колебательными.
Они считают, что орбиты такой волны
из-за внутреннего трения с глубиной
уменьшаются, при глубине равной половине
длины волны она становится весьма
незначительной Таким образом, при
приближении к берегу орбитальная
энергия
Рис.
11.3. Схематическое изображение волны
глубокого моря, показьта ющее относительное
движение частиц воды в разных частях
волны и на разной глубине и ее параметры
(по В. П. Зенковичу).
L
—
длина волны; Я— высота волны; h
—
глубина водоема; 1
— уровень неподвиж ной водь;; 2 — гребень
волны; 3
— подошва волны; 4
— орбита движения части!
волны.
176
испытывает
ограничения в связи с уменьшающейся
глубиной, в результате увеличивается
орбитальная скорость и высота волн.
Уменьшение глубины замедляет продвижение
волн, они начинают набегать друг на
друга, разбиваются и распластываются,
т. е. формируются волны мелководья
(Леонтьев, Рычагов, 1988). Разрушение
волны с возникающими в прибойной зоне
турбулентностью и взбалтыванием осадков
существенно снижает энергию волнения.
Волна в виде прибоя устремляется на
берег (накат), а затем отступает назад
в море (откат). При отношении глубины
водоема к длине волны меньше чем на 0.1
создаются условия горизонтального
наката с формированием волны перемещения.
По
мнению А. Д. Говарда и И. Ремсона (1982),
колебательные волны могут быть
форсированными,
если они формируются под действием
ветров в прибрежной зоне, и зыбью,
формирующейся во время штормов в
открытом море. Последнее понятие
отличается от общепринятой формулировки,
по которой зыбь — это длинные низкие
волны, формирующиеся при выходе из
района шторма в результате уплощения
и удлинения высоких штормовых волн.
С
точки зрения инженерной геологии,
изучающей проблемы абразии для
разработки рекомендаций по защите
побережий и существующих на них
сооружений от воздействий волн,
наибольшее значение имеет проблема
познания и оценка работы, производимой
волнами. Энергия этой работы, по В. П.
Зенковичу (1962), находится в прямой
зависимости от высоты и длины волн.
Таким образом, суммарная энергия
морской волны определяется по формуле
Е-=-Н2
L
. (11.1)
8
Для
расчета размеров ветровых волн различными
исследователями (В. П. Зенкович, Н.
Н. Джунковский, В. В. Шулейкин, О. К.
Леонтьев, Г. И. Рычагов, А. П. Браславский,
В. Г. Анджанов, П. А. Кузнецов и др.)
предложены многочисленные эмпирические
формулы и номограммы, довольно детально
проанализированные в учебниках по
инженерной геологии Г. С. Золотарева
(1983, 1990), В. Д. Ломтадзе (1977), И. В. Попова
(1959), поэтому в данной работе мы их
конкретно рассматривать не будем, лишь
подчеркнем, что высота и длина волны
определяются глубиной водоема, длиной
разгона (расстояние, на котором
формируется волна), скоростью и
продолжительностью ветров. Вместе
с тем параметры волнения колеблются
в широких пределах. Так, в Антарктических
водоемах и в Северной Атлантике высота
волн достигает 16 м, при длине до 400 м. В
дальневосточных морях, омывающих берега
России, высота волн составляет 6—7
м, а длина — 100 м. Меньше высота волн на
акваториях внутренних морей — Балтийском,
Черном, Каспийском — до 6 м, хотя на
отдельных из них (Черное) во время
катастрофических штормов зафиксированы
волны высотой до 12 м (Ломтадзе, 1977).
177
Как
и в любом колебательном движении,
характеристика воли определяется еще
и таким показателем, как период,
т. е. время, за
которое
волна проходит путь между смежными
гребнями или ложбинами. В целом
период зависит от длины волны. Мелкие,
близко
следующие
друг за другом волны, подходящие к
берегу, имеют период в несколько
секунд, гребни же длинных волн в открытом
море могут следовать один за другим с
интервалом даже до 20 с С периодом
волнового колебания связана скорость
распространения
волн, которая рассчитывается Путем
деления длины волны на
его
период.
В
целом волнение — сложный процесс, ибо,
как правило, на
берег
воздействует не одна система волн, а
несколько, характеризующихся разной
длиной, высотой и направлением движения.
Эти
разные
системы, накладываясь друг на друга,
интерферируют между собой, усиливаясь
в случае совпадения фаз и увеличивая
свою энергию. При подходе волны к берегу
под углом, а это, как
правило,
обычный случай, происходит преломление
волны (рефракция), т. е. волна на
мелководье изгибается и разворачивается
параллельно берегу, производя лобовую
атаку йа него. При этом фронт атаки
волны растягивается и сила его
концентрируется и
усиливается
на мысах и ослабевает в бухтах. Волны
испытывают также дифракцию, т. е.
уменьшение и рассеивание энергии волны
за счет изменения ее направления при
прохождении препятствия (мола, волнореза,
дамбы).
Волны
оказывают двоякое воздействие на
берега. С одной стороны, они их
разрушают, превращая скальные монолитные
породы в глыбы, обломки, валуны,
гальку, песок или тому подобные
образования, с другой — переносят и
отлагают продукты разрушения,
создавая пляжи и аккумулятивные типы
берегов.
Разрушение
берегов морей вызвано главным образом
непосредственным ударом волны и
одновременным взвешиванием массива
при ее набеге. Кроме того, как считает
Н. Н. Маслов и М. В. Котов (1971), не последнюю
роль при этом играют процесс сжатия в
этот момент воздуха в трещинах породы
и вакуумные явления. Наибольшая сила
удара соответствует нормальному
(перпендикулярному) к берегу направлению
волйы, меньшей силой удара отличаются
волны, подходящие к берегу под острым
углом. В вертикальном направлении также
существуют определенные закономерности
распределения давления на берег. Как
показал В. Д. Ломтадзе (рис. 11.4), зона
максимального давления на наклонную
стенку или откос находится ниже
поверхности спокойной воды, максимальное
давление располагается на глубине,
примерно равной половине высоты
волны. На таких участках волновое
давление имеет резко выраженный
динамический характер. При вертикальном
береговом откосе максимальное усилие
находится на уровне спокойной воды.
Сила
удара волн о берег может достигать
очень больших величин. Волна высотой
2 м оказывает давление около 15 тс/м
(Алли-
178
a
б
Уровень
спокойной воды
Рнс.
11.4. Схема набегания волны на берег и
эпюра распределения силы ее удара (по
В. Д. Ломтадзе, 1977). а
— у вертикальной стенки; б
— у
наклонной.
сон,
Пальмер,
1984). В открытых морях сила удара может
достигав
30
тс/м. Правда, следует учесть, что
максимальное давление д
1ится
лишь
доли секунды, но удары волн повторяются
все время. Силу
волн
можно проиллюстрировать рядом примеров.
В августе 1949 года во время сильного
шторма в районе г. Сочи волной вы- согой
до
7 м были сброшены с мола около 100 массивов
по 40— 80 т. В Шотландии, у города Уик был
целиком вырван блок волнолома
весом
1200 т, кроме того, этот каменный массив
волнами был
передвинут
на расстояние более 10 м. Во Франции, у
г. Шербур,
трехметровый
валун весом 3.2 т во время сильного шторма
был
переброшен
волнами через стену высотой 6 м. Известны
случаи,
когда
захваченными волнением камнями были
выбиты окна маяков,
находящихся
на высоте 50—100 м.
Абразия
берегов
сопровождается появлением большого
количества
обломочного
материала, который, подхватываясь
водой, транспортируется на большие
расстояния. Сбегающая волна уносит
с собой
все, что может унести. В зависимости от
скорости движения
вода
может либо катить обломки по дну, либо
переносить
их
во взвешенном состоянии, при этом
перекатывание
наносов при волнении
будет зависеть от размера отдельных
об- юмков породы и скорости движения
воды. Отсюда следует, что не
все частицы
(куски) породы, слагающие наносы, начнут
дви- ;аться
одновременно.
Все это будет определяться размером
час- гиц.
При
небольшой скорости начинают двигаться
мелкие обломки
(ил, песок,
гравий), по мере ее увеличения в потоки
втягиваются
более
крупные частицы (галька, валуны). Обратная
картина
наблюдается
при снижении скоростей потока. Таким
образом,
начало
движения частицы определяется скоростью
волны, способной
поднять
и сдвинуть частицу определенного веса.
Эту
179
зависимость
отражает закон Эри, выраженный следующей
формулой:
Q
= V* (11.2)
где
Q
—
вес переносимого волной материала; V
— скорость потока.
Волнение
при нормальном подходе волны к береговой
линии производит сортировку продуктов
разрушения, располагая их полосами,
более или менее параллельными берегу,
при этом в соответствии с законом
Эри наиболее мелкие частицы (илы,
тонкозернистые пески и глины)
переносятся на большие расстояния,
крупные обломки отлагаются ближе. В
результате того, что дно в прибрежной
части имеет уклон в сторону водоема,
движение наносов при сбегании волны
происходит более интенсивно, и частица
начинает двигаться раньше, чем во время
ее накатывания. Условия такого
пульсирующего движения наносов при
волнении позволяют наметить некоторую
предполагаемую линию, располагающуюся
примерно параллельно берегу и
названную нейтральной линией, около
которой частицы грунтов определенной
фракции будут совершать колебательные
движения, продвигаясь на одинаковые
расстояния вверх и вниз. В зависимости
от силы волнения сама эта линия может
постоянно мигрировать.
При
подходе волны к берегу под острым углом
частицы наносов, влекомые водой, взбегают
на пляж по касательной, а скатываются
вниз по нормали, то есть почти прямо по
уклону дна. Подхваченная следующей
волной частица совершает тот же путь,
то есть двигается вдоль берега по
зигзагообразной траектории параболического
вида (рис. 11.5). Таким образом, происходит
вдольбереговое перемещение наносов
или миграция пляжей. При этом скорость
продольного переноса материала
определенных фракций будет неодинакова.
С
генетической точки зрения могут быть
выделены следующие типы берегов:
неразмываемые,
абразионные, аккумулятивные
и биогенные.
При этом, как считает О. К. Леонтьев
(1963), основными
Пляж
Нака^^^
A BCD
Рис.
11.5. Схема продольного перемещения
наносов при косом подходе волны к
берегу. При накате волн на пляж частица
пройдет путь от точки А
до точки С.
180
Класс |
Литологическая характеристика пород |
Скорость абразии, м/год |
Удельный абразионный смыв, м/год |
||
|
|
клиф |
бенч |
клиф |
бенч |
1 |
Прочные скальные кристаллические, прочные метаморфические и осадочные породы (известняки, граниты, некоторые гнейсы) |
- |
- |
- |
- |
11 |
Извержение метаморфизованные, метаморфические, сцементированные осадочные и эффузивные породы (гнейсы, серпентиниты, сланцы, андезиты, туфо- базальты и др.) |
до 0.01 |
до 0.001 |
до 1-2 |
7 |
III |
Выветрелые слабопрочные осадочные и эффузивные породы (сильно выветрелые кристаллические породы, мергели, мергелистые и глинистые известняки, аргиллиты, песчаники, туфы) |
до 0.2 |
до 0.01 |
до 15-20 |
7 |
IV |
Полускальные и глинистые, некоторые слабо сцементированные осадочные породы (песчаники, конгломераты, глины, суглинки) |
до 5-8 |
до 0.05 |
до 15-120 |
до 150-200 |
V |
Рыхлые несцементированные отложения (пески, супеси, слабо уплотненные суглннкн, лёсс, галечники, несцементированные гравелиты) |
до 15-20 |
до 0.1 |
до 200 |
до 250-300 |
181
щему
воздействию волновых процессов. Наиболее
широко такие берега распространены на
окраинах кристаллических массивов в
полярных и прибрежных широтах. Как
правило, они представлены высокими
скалистыми стенками, морскими утесами
и обрывами и столбовидными скалами.
Формирование
абразионных берегов происходит
практически на всех остальных породах
— сильно трещиноватых, магматоген- ных
и метаморфогенных образованиях,
различных типах осадочных пород, в
том числе и рыхлообломочном материале.
Главный результат абразии заключается
в процессе наступления моря на сушу. С
волновой абразией связано образование
ряда характерных черт рельефа морских
берегов. Одна из наиболее типичных форм
— это клиф
— береговой волноприбойный уступ, у
основания которого находится
подводная волноприбойная терраса
(бенч),
на поверхности которого абразия
происходит под воздействием валунных
или галечниковых накоплений, находящихся
в постоянном движении в прибойной
зоне и истирающих горные породы цоколя
террасы. В пределах клифа в неоднородных
осадочных породах образуются карнизы,
ниши, гроты, абразионные арки и мосты.
Расширение трещин и обрушение арок
приводит к возникновению изолированных
морских утесов. При размывах зон
тектонических разрывов формируются
глубокие расселины, которые в дальнейшем
могут превращаться в бухты и заливы.
Абразия,
подмывая основания склонов и нарушая
их устойчивость, вызывает развитие
таких геологических процессов, как
оползни, обвалы, осыпи и др. Это
обусловливает необходимость разделения
абразионных берегов на более мелкие
подтипы: абра- зионно-оползневЫе,
абразионно-обвальные, абразионно-осыпные
или различные комбинации их. Такие же
подтипы могут быть выделены и при
развитии в прибрежной зоне других
экзогенных геологических процессов.
Материал,
переносимый волнами и прибрежными
течениями, может накапливаться в виде
аккумулятивных береговых форм В
зависимости от условий их питания и
положения В. П. Зенкович (1962) среди них
выделяет: примкнувшие,
свободные, окаймляющие, замыкающие
и отчлененные.
Среди
примкнувших береговых аккумулятивных
форм обособлены пляжи,
надводные террасы
и наволоки
(аккумулятивные выступы). Свободные
и окаймляющие береговые аккумулятивные
формы представлены косами
и стрелками,
а замыкающие — пересыпями
(перегораживают заливы) и переймами
(соединяют острова с материком).
Отчлененные формы — бары
и аккумулятивные
острова
возникают при прорывах и расчленении
кос или береговых баров.
Берега,
формирующиеся в ходе жизнедеятельности
различных организмов, называют
биогенными. На побережьях тропических
морей активная роль в формировании
морских берегов принадлежит морским
организмам — кораллам и некоторым
видам водоро-
182
Тип берега |
Длина соответствующей береговой линии |
Протяженность берега |
||
тыс км |
% |
тыс км |
% |
|
Неразмываемые |
308 9 |
39 63 |
1130 |
24 1 |
Абразионные |
121 6 |
15 62 |
102 3 |
21 82 |
Абразионно-аккумулятивные |
121 0 |
15 58 |
96 4 |
20 56 |
Аккумулятивные |
201 4 |
26 04 |
132 8 |
28 37 |
Неопределенные |
24 1 |
3 10 |
241 |
5 14 |
Всего |
7770 |
100 |
468 6 |
100 |
стей,
способным усваивать из морской воды
известь, создавать из нее свои скелеты
и строить громадные колонии рифовых
сообществ, из которых в дальнейшем
в результате разрушения и последующей
цементации образуется коралловый
(рифовый) известняк.
Геологические
тела и созданные в процессе рифообразования
формы рельефа называются коралловыми
рифами.
Среди них выделяются атоллы
— кольцеобразные постройки, окаймляющие
рифы
— подводные известняковые террасы,
барьерные
рифы
— протяженные кораллово-известняковые
гряды. Среди биогенных выделяются еще
и фитогенные
берега
(Каплин и др., 1991), в формировании
которых существенная роль принадлежит
растительным
организмам
— камышу, тростнику, рогозу и мангровым
рас- гепиям, заросли которых на берегах
морей и океанов защищают прибрежные
участки от размыва, гасят энергию
волнения и способствуют нарастанию
суши.
Сотрудниками
Лаборатории морской геоморфологии
Московского государственного
университета С. А. Лукьяновой и Н. С. Хо-
тодилиным (1975) была подсчитана общая
длина береговой линии Мирового океана
и протяженность различных типов
берегов.’ Данные их исследований
(табл. 11.2) показывают, что общая
протяженность береговой линии
составляет 777 тыс. км, среди берегов
наиболее распространены аккумулятивные
берега, на долю которых приходится
28 %
береговой линии, одну четвертую часть
со- сгавлягот размываемые берега.
Создание
водохранилищ существенно изменяет
природные \словия прилегающих территорий.
Возникают новые, часто необратимые
отношения во взаимодействии суши с
искусственными водоемами: формируется
вновь созданная береговая линия, в пре
183Переработка берегов
делах
которой с большой скоростью идет размыв
берегов, нарушается устойчивость
склонов, активизируются такие экзогенные
геологические процессы, как оползни,
обвалы, карст, существенно изменяются
гидрогеологические условия, продукты
разрушения горных пород аккумулируются
в ложе водохранилищ.
За
время существования Советского Союза
на его территории было создано более
четырех тысяч водохранилищ, объем
каждого из которых превышал 1 млнм3
(Авакян и др., 1987). В послевоенное
время предпочтение отдавалось крупным
гидроэнергетическим объектам с
громадными водоемами. Были сооружены
каскады водохранилищ на Днепре,
Волге и Каме, Енисее и Ангаре, Оби, Вилюе,
Зее и других реках. Все эТи техногенные
водные системы явились существенным
фактором влияния на геологическую
среду Гигантские водохранилища, такие
как Красноярское, Братское, Усть-Илимское,
Саяно-Шушенское, Зейское, сопоставимые
по масштабам с системами великих озер
Африки и Северной Америки и во многом
превосходящие их, созданы не за сотни
тысяч лет в процессе естественной
эволюции Земли, а за десятилетия
человеком, что и обусловило их
интенсивное и во многих случаях
негативное воздействие на природу.
Рассмотрим для примера каскад Ангарских
ГЭС с Иркутским (включая Байкал), Братским
и Усть- Илимским водохранилищами.
Однозначно оценить их влияние на
природные
условия довольно сложно. Безусловно,
строительство I3C
и
создание водоемов превратили Восточную
Сибирь из отсталого в промышленном
отношении региона, страдающего дефицитом
энергии, в край новых территориально-промышленных
комплексов, с широким развитием
энергоемких производств. Существенно
изменились и социальные условия жизни,
возникли новые города и рабочие поселки
со всеми атрибутами благоустроенной
социальной сферы. С экономической точки
зрения все эти ГЭС давно, казалось бы,
уже оправдали все затраты на их создание
Однако, с другой стороны, возникновение
гигантов металлургической и
лесоперерабатывающей промышленности,
сопровождающееся загрязнением
воздушных масс, поверхностных и подземных
вод, затопление прекрасных агропромышленных
угодий, уничтожение лесов и т. п.,
серьезно сказались на экологической
обстановке. Связанный с этим ущерб,
нанесенный земельным и водным ресурсам,
экономически пока еще не поддается
подсчетам. А переселение громадной
массы людей на новые места с существенным
изменением социального и национального
составов населения и уклада их проживания
привело к серьезным моральным издержкам,
которые в денежном выражении не могут
быть оценены Таким образом, становится
понятным, что вопрос создания и
эксплуатации искусственных водоемов
не так прост, как казался на первых
этапах создания плана ГОЭЛРО. О проблемах,
связанных с водохранилищами, можно
говорить много, однако мы в этой главе
в основном будем рассматривать один
вопрос — вопрос переработки берегов.
184
В
соответствии с «Рекомендациями по
инженерным изысканиям для прогноза
переработки берегов водохранилищ»
(1986) под переработкой
берегов
понимается совокупность экзогенных
гео- югических процессов (эрозия,
абразия, оползни, карст, суффозия и
др.), обусловленных изменившимися в
результате создания водохранилища
природными условиями и приводящих к
деформациям прибрежных территорий.
Следует подчеркнуть, что все
активизирующиеся на берегах
водохранилищ процессы, за исключением
абразии, имеют, как правило, унаследованный
характер, определяемый взаимодействием
естественных и техногенных факторов,
среди которых вновь созданные водоемы
являются главными. В то же время
абразионно-аккумулятивные процессы,
для любой территории, где создаются
водохранилища, являются новыми,
несвойственными для данного региона,
хотя, их развитие и определяется теми
же закономерностями формирования
берегов, которые характерны для
крупных озер, морей и океанов. Наиболее
чутким индикатором изменения геологической
среды являются экзогенные геологические
процессы, интенсивное развитие которых
в условиях техногенного прессинга
приводит к перераспределению напряжений
в массивах горных пород и мгновенному
преобразованию отдельных форм
рельефа (рис. 11.6). Особенно активно на
прибрежных участках активизируются
обвально-осыпной процесс, оползни,
карст и суффозия, при этом
карстово-суффозионные процессы
интенсивно развиваются не только
непосредственно в пределах береговой
зоны, но и на значительном удалении от
берега. Довольно широкие пространства
активизированного карста отмечены на
побережьях Камского, Каховского,
Павловского, Братского, Красноярского
и других водохранилищ (рис. 11.7). На
тесостепных участках побережий Братского
водохранилища, сложенных
сульфатно-карбонатныйи породами
кембрия, ширина зоны карстовой активизации
колеблется от 3 до 6 км (Проблемы охраны...,
1993). По данным В. М. Филиппова, среднее
количество провалов, возникающих на
площади в 1 км2,
составляет 1.3 при периодичности их
проявления 0.8 года. Также интенсивно и
широко развивается и суффозия, при
этом на берегах Камского и Боткинского
водохранилищ она активизировалась не
только в рыхлых четвертичных грунтах,
но и в верхнепермских терригенных
отложениях (Печеркин, 1969). Непосредственно
в пределах береговой линии процессы
подмыва оснований склонов приводят к
нарушению их равновесного состояния
и образованию обвалов, осыпей,
оползней. На Усть-Илимском водохранилище
летом 1976 года в результате абразионного
подмыва крутого залесенного склона
сформировался оползень с объемами
сместившихся масс, превышающими 6
млн м3.
Вновь
созданные водоемы являются существенным
техногенным фактором, провоцирующим
не только активизацию развивающихся
на их склонах естественных геологических
процессов, но и способствуют возникновению
и интенсивной динамике вновь воз-
185
Рис.
11.6. Схема развития техногенных процессов
в зоне влияния Ангарских водохранилищ.
Размывы
берегов шириной: 1
— более 100 м; 2
— менее 100 м. Активизация процес сов: 3
— оползней; 4
— карбонатного карста; 5 — гипсового
карста; 6
— площадна: линейная эрозия; 7 — свежие
суффозионные воронки; 8
— участки подтопления, 9 - участки
засоления фунтов; 10
— участки развития современных эоловых
процессор
186
Рис.
11.7. Обвал коренных пород объемом 100 м3,
произошедший в марте месяце 1975 года на
Братском водохранилище.
ннкших
их техногенных аналогов. Как видно из
рис. 11.6, в зонах в
шяния
Ангарских водохранилищ техногенные
процессы существенно изменили общую
инженерно-геодинамическую ситуацию
как в пределах узкой береговой зоны,
так и на прилегающих междуречьях,
где особенно интенсивно проявился
процесс оврагообра- зо’вания. Естественно,
развивающиеся в береговой зоне процессы
играют значительную роль в формировании
новой береговой шнии, однако главным
и основным процессом здесь остается
абразия.
В
отличие от подобных процессов,
развивающихся на бере- iax
морей
и океанов, переработка берегов
искусственных водохра- 1Ш
ШЩ происходит в совершенно иной
континентальной обстановке. В связи
с этим в таких условиях абразионный
процесс протекает значительно
интенсивнее, особенно в первые годы
создания водоема. Процесс формирования
нового профиля берега в надводной и
подводной частях — процесс длительный,
растягивающийся на десятки, а то и
сотни лет. Протяженность абразионных
берегов на отдельных водохранилищах
составляет от 31 до 70
%
от общей протяженности береговой линии
(табл. 11.3). Ширина
зоны
размыва также колеблется в широких
пределах. Так, счступание береговой
бровки в районе пос. Артумей на Братском
водохранилище за несколько первых лет
эксплуатации в результате абразии
и плывунных свойств песков составило
1100 м. В связи I этим вновь созданный
поселок был перенесен на другое место.
На Красноярском водохранилище в районе
дер. Куртак берег, сложенный
лёссовидными грунтами, отступил на 462
м. Особенно быстро разрушаются берега,
сложенные рыхлыми грунтами. По данным
И. А. Печеркина (1969), на Камском водохранилище
ширина
зоны
размыва берегов, сложенных песками, за
четырнадцать тет эксплуатации составила
80 м. На Братском водохранилище за время
его эксплуатации ширина размытой полосы
берега в Лёссо-
187
Водохранилище |
Общая протяженность береговой линии, км |
Протяженность абразионных берегов |
|
км |
% |
||
Братское |
6000 |
2560 |
42.5 |
Зейское |
1800 |
630 |
35.0 |
Иркутское |
275 |
140 |
50.9 |
Камское |
913 |
411 |
46.1 |
Красноярское |
1560 |
760 |
41.0 |
Самарское |
2500 |
1000 |
40.0 |
Новосибирское |
559 |
240 |
41.1 |
Саяно-Шушенское |
1250 |
500 |
40.0 |
Усть-Илимское |
2500 |
870 |
31.0 |
Цимлянское |
660 |
480 |
70.0 |
видных
суглинках, по данным Г. И. Овчинникова
(1985), составила 200 м, а в скальных и
полускальных породах палеозоя и мезозоя
эта величина пока не превысила 80 м.
Факторы,
определяющие переработку берегов.
Интенсивность и характер переработки
берегов определяется многими факторами,
среди которых главные геолого-геоморфологические
и гидрологические.
В
свою очередь геолого-геоморфологические
факторы распадаются на ряд следующих
групп.
Геологические
— горные породы, слагающие прибрежные
склоны, условия их залегания и
распространения, литолого-фаци- альный
состав, степень литификации, текстурные
и структурные особенности, состояние
и'свойства, характер и генезис пород,
тектоническая нарушенность и
трещиноватость. При расчетах прогноза
переработки рекомендуется разделять
породы на следующие комплексы, учитывая
их размываемость:
а.
Пески, супеси и легкие суглинки, размыв
которых зависит от энергии волнения и
течений. Отступание береговых бровок,
сложенных такими породами, может
составлять первый десяток метров в
год, особенно в начальный период
эксплуатации водоемов. Так, у
Красноярского водохранилища оно
составило — 8— 12 м в год, у Братского —
15—20 м (Формирование берегов..., 1988), у
Камского — до 8 м (Печеркин, 1969), у
Днепровского — 10—15 м (Водохранилища...,
1986).
б.
Плотные глинистые (связанные) грунты,
карбонатные, пес чаниковые, алевролитовые
и другие породы, размыв которых оп
ределяется скоростью их выветривания
и размокания. Скоросп процессов абразии
в таких породах, в зависимости от степени
и выветрелости, не превышает 3—5 м в
год.
188
в. Лессовые,
пепловые и другие подобные породы,
легко разрушающиеся при увлажнении.
В лёссах, слагающих берега Каховс- кою
водохранилища, ширина зоны переработки
в первый год существования водоема
достигла 45 м (Водохранилища..., 1986).
г
Соли, гипсы, ангидриты и другие легко
растворимые породы, наличие которых
резко меняет процессы переработки.
Береговые линии Братского и Камского
водохранилищ, сложенные гипс- ашидритовымй
породами, развиваются очень своеобразно.
В зоне сработки берегового уступа под
воздействием абразии и выщелачивания
формируются каминообразные ниши,
имеющие вид коридоров, ориентированных
в двух взаимно перпендикулярных
направлениях. Размеры ниш разнообразны,
их распространение в I 1убь
берега на Братском водохранилище
достигает 30 м. Постоянное растворение
пород приводит к соединению соседних
ниш и подрезке берега на больших
расстояниях.
д.
Мерзлые песчано-глинистые грунты,
сильно выветрелые коренные породы,
размыв которых определяется скоростью
их оттаивания. На Вилюйском
водохранилище породы, слагающие берега,
находятся в мерзлом состоянии, за два
года мерзлота под дном водохранилища
протаяла на 14 м (данные И. П. Константинова
и В
JI.
Суходровского).
Большая амплитуда сработки уровня
этого водохранилища создает наряду с
абразией благоприятные условия л !я
развития в береговой зоне процессов
термокарста, солифлюк- ции и активизации
глыбовых оползней.
е.
Прочные невыветрелые породы, магматогенных
и метамор- фогенных формаций (граниты,
базальты, диабазы, кристаллические
сланцы и т. п.) — практически неразмываемые.
Большое
значение в процессе переработки берегов
имеет трещиноватость горных пород,
которая влияет на прочность и устойчивость
горных массивов и их гидрогеологические
характеристики Установлено, что
практически на территориях всех крупных
водоемов России, расположенных в
пределах платформ, существуют системы
двух взаимно перпендикулярных планетарных
трещинных зон (фоновая трещиноватость).
Кроме того, имеются и тектонические
трещины, связанные с определенными
складчатыми и разрывными структурами,
а также литогенетические, экзогенные
и техногенные их разновидности.
Трещиноватость определяет развитие
многих процессов, в том числе и чисто
абразионных. На водохранилищах,
расположенных в зонах с резко
континентальным к шматом (Сибирь, север
европейской части России), наличие
многочисленных трещин в горных породах,
находящихся на урезе водоемов,
способствует в осеннее время их быстрому
морозному выветриванию, приводящему
к образованию протягивающихся на
значительные расстояния береговых
ниш, нарушающих устойчивость
берегового откоса в целом.
Основными
свойствами горных пород, определяющими
развитие процесса переработки
берегов, являются показатели размыва-
ечости, выветриваемости, прочности,
деформируемости, плот
189
ности
и влажности.
С целью оценки заиления водоемов и
формирования вдольбереговых потоков
наносов обязательно уточнение
микроструктурного состава дисперсных,
пылеватых и глинистых грунтов. Е. Г.
Калугин (1959) в качестве прямого показателя
раз- мываемости пород под воздействием
волн предложил коэффициент
размываемости
где
V — объем размытой породы за первый год
эксплуатации водохранилища, м3;
Е
— суммарная энергия ветрового волнения
за то же время, тм/м.
Как
видно из формулы (11.3), данный коэффициент
может быть получен экспериментальным
путем на уже существующих водоемах.
Для проектируемых объектов в соответствии
с параграфом 11.7 «Рекомендаций...» (1986)
показатели размываемости следует
устанавливать по аналогии с показателями,
полученными на существующих водоемах
для пород, обладающих близкими с
оцениваемыми грунтами характеристиками
состава и свойств.
Геоморфологические
характеристики склонов — это их
размеры, высота, крутизна, генетические
типы, история развития, современное
состояние, включая характер поверхности
(задернованная, залесенная, распаханная
и т.д.), изрезанность берега боковыми
притоками. Особое внимание уделяется
береговой и подводной зонам, в пределах
которых формируются аккумулятивные
формы рельефа — пересыпи, косы, отмели,
а также развиваются различные
геологические процессы. При затоплении
пологих склонов и поверхностей речных
террас создаются мелководные зоны, где
абразия практически отсутствует, и
наоборот, при сопряжении уреза водоемов
с крутыми склонами абразия проявляется
наиболее ярко На Волжских водохранилищах
на многих мелководьях начал развиваться
фитогенный тип берега, зарастающий
камышом и тростником. Возникновение
крупных водохранилищ приводит к
изменению морфометрии рельефа,
затапливаются большинство речных
террас, зеркало воды на значительных
участках сопрягается с крутыми
склонами, что приводит к их неустойчивости.
Изменяется соотношение участков
различной крутизны. Так, на Ангарских
водохранилищах доля участков
крутизною до 10° сократилась с 91
до
78 %, в то же время существенно увеличились
площади с уклонами 10—15° (с 7 до 18%). В
местах интенсивной переработки берегов
образовалось множество обнажений с
практически вертикальными стенками.
Гидрогеологические
— типы подземных вод и их распространение,
гидрогеохимические особенности,
фильтрационные характеристики и
динамика в зависимости от положения
уровня водохранилища, ширина зоны
развития подпора и скорость его
распространения, подтопление
территории и возникновение новых
190
шхногенных
водоносных горизонтов. С точки зрения
формирования подпора в зависимости
от его величины и этапа наполнения
водохранилища возможны три случая
взаимодействия поверхностных и
подземных вод (Рекомендации..., 1986):
Движение
подземных вод направлено в сторону
реки — собственной дрены. Случай
создания равнинного водохранилища с
небольшим подъемом воды.
Движение подземных вод направлено от водохранилища, что характерно для периодов наполнения водохранилища и формирования фильтрационных вод в прибрежной полосе.
Движение подземных вод происходит вдоль речной долины, что отмечается при небольших уклонах грунтового потока, а также при неустановившемся режиме фильтрации из водохрани- тища в период формирования призмы подтопления.
Для большинства крупных водохранилищ России наиболее характерен второй случай подтопления, т. е. проникновение вод водоема в береговые массивы с формированием новых водоносных горизонтов или комплексов и уменьшением зон аэрации. Хотя на отдельных участках (в зонах подпора, по заливам, образованным в долинах крупных притоков и т. п.) могут встречаться и другие случаи. На водохранилищах с большой сработкой (Красноярское, Братское) и длительным периодом эксплуатации (когда уже созданы новые водоносные горизонты"с определенными гидродинами- 1ескими показателями) падение уровня воды в водоемах вызывает снижение уровня горизонта подземных вод, приводит к увеличению градиента напора и вызывает резкую активизацию геологических процессов. На Братском водохранилище снижение уровня водоема сопровождается существенным увеличением проявления карст а, а его повышение приводит к активизации оползней, обва- юв, овражной эрозии и, естественно, абразионных процессов.
С другой стороны, изменение гидрогеологических условий, приводящее к обводненности пород бывшей зоны аэрации, приводит к изменению их состава, состояния и свойств в результате увлажнения, растворения и выщелачивания. Кроме того, создается гидродинамическое и гидростатическое воздействие на породы береговых склонов, что тоже приводит к развитию оползневых, обвальных, ^)ффозионно-карстовых и других геологических процессов.
Гидрологические факторы включают в себя уровенный режим водоемов, волнение, течения и ледовые явления.
Уровенный режим водоемов является одним из основных факторов, определяющих процесс переформирования берегов. Его в шяние определяется через амплитуду колебания уровня, скорос- теи его подъема и снижения, продолжительности стояния на опре- ie |енных интервалах высот, годовой и многолетний ход. В процессе проектирования любого водоема устанавливаются следующие характерные уровни: форсированный (ФПУ), нормальный (НПУ, иногда звучит как НПГ — нормальный подпорный горизонт ), навигационный (УНС) и мертвого объема (УМО) (Водохра
191
Степень колебания уровня |
Амплитуда, м |
Водохранилища |
Малая |
Менее 1 |
Хевоскоски, Беломорское, Аятское, Гад ское, Саратовское, Днепровское, Тахнаташ екое, водохранилища каналов Волго-Дои Рейн-Майн-Дунай (Германия) и др |
Небольшая |
1-3 |
Волгоградское, Усть-Илнмское, Горьков ское |
Средняя |
3-10 |
Рыбинское, Куйбышевское, Цимлянское Братское, Бухтарминское, Вилюнское |
Большая |
11-30 |
Чнркейское, Хантайское, Красноярское Мингечаурское, Клепталерзее (Швейцария) |
Очень большая |
31-100 |
Нурекское, Токтогульское, Чарвекское |
Исключительно большая |
Более 100 |
Гранд-Диксанс, Лювуазен (Швейцария) Тинь, Розалин (Франция) |
192
абразионно-оползневых
процессов и подтопление отдельных
note
ixob на
восточном берегу озера, а эксплуатационные
сбросы во1ы
на Братском водохранилище в феврале
1990 года (уровень бьп
понижен
на 6 м) привели к интенсивному карстовому
прова- юобразованию в лесостепном
Приангарье.
Волнение
— важнейший гидрологический фактор
формирования береговой линии
водохранилищ. Волны размывают берега,
переносят размытый материал и
формируют пляжи, способствуют размоканию
и растворению пород, обнаженных в
пределах береговой
линии,
а также их морозному выветриванию во
время частых переходов температур
через нуль.
На
крупных водохранилищах в зависимости
от происхождения вочны
подразделяются
на ветровые и судовые (Рекомендации...,
1986) Формирование волны и ее основных
параметров происходит под
действием
ветра. Поэтому основным метеорологическим
условием,
влияющим
на процесс переработки, является
ветровой
режим. Основные
параметры, характеризующие ветер —
направление,
скорость
и повторяемость,
получают в результате обработки
материалов многолетних наблюдений
на гидрометеостанциях и постах
территориальных управлений по
гидрометеорологии и охране окружающей
среды.
Размеры ветровых волн определяются
рядом факторов — направлением,
продолжительностью и скоростью ветра,
длиной
разгона
волны и глубиной водоема. На мелководьях
происходит трансформация и разрушение
волны. В этом случае закономерности
развития
волн
водохранилищ совпадают с морскими
условиями, т. е. разрушение
волны
при подходе к берегу начинается при
глубине, равной
половине
длины волны, а на глубинах, равных высоте
волн, они окончательно разрушаются и
превращаются в накат. В прибрежных
зонах,
так же как и на морях, наблюдается
рефракция
и интерференция
волн. Огличием волн водохранилищ от
морских являются их
размеры,
они меньше по высоте и длине, но более
крутые, что
определяется
глубинами и конфигурациями водоемов.
В
развитии ветрового волнения выделяются
три стадии — нарастающая,
установившаяся
и затухающая.
Ю. М. Матарзин (Водохранилища..., 1986),
изучавший волнение на Камском
водохранилище,
установил,
что: 1) в начальный период воздействия
ветра (менее 2 ч) происходит интенсивный
рост волн; 2) при дальнейшем воздействии
ветра с продолжительностью, близкой к
2 ч, рост волн замед- тяется,
3)
при продолжительности более 6 ч —
прекращается, т. е. наступает стадия
установившегося волнения. С прекращением
дей- с1вмя
вегра
волнение затухает.
Как
правило, для крупных водохранилищ
характерны сложные \с ювия волнообразования,
т. е. наблюдается пестрая картина
взаимодействия волн различных
направлений, поэтому суммарные волновые
характеристики
определяются путем учета спектра волн.
Большинством
исследователей принято считать, что
развитие вот
на
водохранилищах в связи с глубиной,
несопоставимой с I 1убиной
морей, аналогично развитию их в
мелководных зонах.
193
Рис.
11.8. Пример номограммы А. П. Браславского
для определения вы соты волны при
скорости ветра 20 м/с.
Для
небольших мелководных водоемов со
слабой изрезанностью береговых линий
расчет высоты волны может быть произведен
по методу А. П. Браславского, в основу
которого положено уравнение баланса
волновой энергии, им же с целью облегчения
расчетов по строен ряд номограмм для
ветра с различными скоростями (5, 10 20,
30 м/с). Пример такой номограммы приведен
на рис. 11.8.
Для
крупных водохранилищ со сложной
конфигурацией берего вых линий расчеты
элементов ветровых волн следует
производить в соответствии с Приложением
№ 1 СНиПа 2.06.04-82 (1983), в кото ром приведены
примеры таких расчетов для глубоководных,
мелко водных и прибойных зон. Там же
приведен график, облегчающий получение
основных волновых характеристик (рис.
11.9).
На
водохранилищах, где развито интенсивное
судоходство (д ш России это водоемы ее
европейской части), формируются судовые
волны, параметры которых определяются
типом, размерами, осад кой и скоростью
движения судна, а также курсом его
движения Интенсивности воздействия
этих волн на берег невелика и onpeie
ляется
близостью к берегу расположения
фарватера.
Течения
имеют большое значение в перераспределении
размы того материала и формировании
аккумулятивных форм берега И\ возникновение
и развитие определяется как интенсивностью
води обмена водохранилища, так и
параметрами волнения. В связи с этим
на водохранилищах выделено два типа
течений: ветровые
и стоковые.
194
gdlV*
r7/'I
1
1 09
I 7
05
03
gh!V*
,0010
Ё
0
008 0.006
И
004
Ltiffl!
0
3
4
56
8 2 3 4 5 6 8 2 3 4 5 6 8 2
3
4
5
6
8 2
3
4
5
6
8 2 3
100 1000 10000 gUV*
1
10
I
—
I I 1 1 IXJjL , 1 I I— 1 I 14-ii -
234
56
8 234
56
8
100
1000
10000
10000
gLIVj
-M
56
gtiv
J—
l -C-M
2
3
456
Рис
11.9.
График
для определения элементов ветровых
волн в глубоководной и мелководной
зонах (по СНиП, 1983).
Ветроволновые
течения имеют наибольшее распространение
в безчедоставные периоды жизни водоемов.
Они представлены вдочьбереговыми
волноприбойными
и вдольбереговыми
ветровыми типами.
Вдольбереговые
волноприбойные течения ввиду высокой
т\рбулентности и больших скоростей
обладают высокой транспортирующей
способностью. Их формирование происходит
под воздействием вдольбереговых ветров.
Зона их распространения, как правило,
ограничена с одной стороны урезом воды
со стороны берега
и
с другой — изобатой с глубиной воды,
приблизительно равной половине длины
волны (со стороны моря). Вдольбереговые
воиюприбойные течения транспортируют
значительную массу наносов, которая
при косом подходе волны к берегу в зоне
прибоя перемещает
частицы
грунта так же, как в условиях морских
побережий (см. рис. 11.5). Вдольбереговые
ветровые течения наблюдаются
на
больших глубинах.
Скорость
вдольбереговых течений определяется
скоростью ветра, составляя от нее в
приповерхностных слоях 0.4—0.7 %. С
}величением
глубины скорость резко сокращается,
особенно на г
1}биие
0.5—2.5 м (Водохранилища..., 1986). На Братском
водохра- шпшце, поданнымГ. И. Овчинникова,Г.
А. Карнауховой(1985), мак- епчачьные
значения скоростей вдольбереговых
волноприбойных 1ечепий
отмечаются при угле подхода волн к
берегу в 30°. Отмечена и
неравномерность
распределений скоростей по ширине
отмели.
195
При
высоте волн 0.6—1.3 м над вершинами
вдольбереговых валов скорость течения
равна 65 см/с. Максимальная скорость
отмечена между урезом и вершиной первого
подводного вала (80 см/с).
Стоковые
течения наиболее явно выражены на
водохранилищах сезонного или
недельного регулирования. Они развиты
в
зонах
выклинивания подпора и ниже его, кроме
того, они наблюдаются вдоль затопленных
русел рек. Скорости стоковых течений
зависят от времени года, т. е. .весной в
периоды половодий они могут увеличиваться
в несколько раз. Так, на Самарском
водохранилище в весеннее время
скорости возросли с 20—30 до 130— 135 см/с.
В случаях водохранилищ многолетнего
регулирования, но характеризующихся
большой проточностью водоемов, скорость
стоковых течений также значительна.
На Иркутском водохранилище при
сравнительно его небольших размерах
через агрегаты ГЭС ежегодно сбрасывается
около 58 млн м3
воды, что составляет почти 28 его объемов.
В результате интенсивного водообмена
формируется поле скоростей стокового
течения, которые в зависимости от
морфологических особенностей
водохранилища изменяются в
приповерхностном слое от 60—110 см/с в
пределах верхнего участка до 10—20
см/с на среднем и 3—7 см/с — на припло-
тинном. При этом скорость с глубиной
убывает на 30—40 %
.
Влияние
ледовых
явлений
на процесс переработки берегов
водохранилищ двояко. Во-первых,
зимой, когда водоемы находятся под
льдом, исключается волновое воздействие
на береговые склоны. В это время
обрушение берегов происходит в результате
воздействия процессов морозного и
температурного выветривания, а на
замерзшей поверхности водоемов
накапливаются обвально- осыпные массы.
С другой стороны, подвижки ледяного
покрова н навалы льда под действием
ветра способны деформировать бичев-
ник и береговые откосы. Сработка
водохранилищ в зимнее время приводит
к оседанию льда на дно на осушенных
участках мелководий. Весной этот
лед начинает таять, образуя временные
водотоки, которые эродируют поверхности
осушенных береговых отмелей. На
водохранилищах, расположенных в каскаде,
таких как Волжские, Днепровские,
Ангарские, периодические попуски вол
из вышележащих водоемов вызывают
повышение уровней, что приводит к
торошению льда и надвигу его на берега.
В
настоящее время общепринятая методика
прогноза ледовой абразии берегов
отсутствует, поэтому сам прогноз этого
процесса выполняется методом аналогий
с водохранилищами или озерами находящимися
в подобных условиях (Рекомендации...,
1986).
ПРОГНОЗ
ПЕРЕРАБОТКИ БЕРЕГОВ
Прогноз
переработки берегов предусматривает
предсказание з пространстве и времени
темпов отступания береговой линии с
определением возможной ширины зоны
абразии и скорости протека
196
ния
этого
процесса. Важнейшим элементом подготовки
таких про- I иозов является
инженерно-геологическая типизация и
районирование зоны влияния водоема
с выделением районов, подрайонов и
\частков. Для такой синтетической оценки
прилегающих к водохра- пи шщам территорий
необходимо проведение целого комплекса
специализированных исследований.
Методика изучения инженерно-геологических
условий предусматривает поэтапное
применение различного вида работ. На
первом
этапе,
до заполнения водохранилищ производится
инженерно-геологическая съемка масштаба
1 100 ООО—1 : 200 ООО с детализацией будущей
береговой зоны в более
крупных
масштабах (от 1 : 25 ООО до 1 : 5000), где и
располагаются ключевые участки для
расчета переработки и изучения
экзогенных геологических процессов.
Съемка сопровождается буровыми и
горными работами, которые главным
образом размещаются по створам в
пределах береговых склонов водохранилища.
Для прогноза абразионного процесса
в пределах будущего берега проходятся
три
горные
выработки, расположение которых
определяется понижением уровня
водохранилища и предполагаемой величиной
размыва
берега.
Одна выработка проходится на отметке
НПУ, вторая — выше уровня водохранилища
на расстоянии 100—300 м (возможная
ширина размыва), третья — в будущей
подводной части берега
на
глубинах, соответствующих нижней
границе размыва. Для во
тохранилища
со средней и большей глубиной сработки
необходима
проходка
еще одной выработки на отметке горизонта
сработки Съемка и разведка
сопровождаются отбором образцов
ненарушенной и нарушенной структуры,
по которым происходит определение
всех
показателей. На проектируемых
водохранилищах по этим
показателям
определяется коэффициент размываемости,
необходимый
в
расчетах прогноза переработки берегов.
В соответствии е «Рекомендациями по
инженерным изысканиям для прогноза
переработки берегов водохранилищ»
(1986) показатели размываемости юриых
пород устанавливаются по аналогии с
подобными грунтами существующих
водоемов. В качестве основных критериев
подобия, косвенно
отражающих размываемость пород,
используются:
для
песчаных, гравийных, дресвяных и т. п.
грунтов — показатели грансостава,
плотность и угол естественного откоса;
для глин, суглинков, супесей — показатели микроагрегатно- ю состава, плотность, размокаемость и сопротивление сдвигу в водопасыщенном состоянии;
для лёссовидных грунтов — показатели микроагрегатного состава, плотность, размокаемость, просадочность, содержание карбонатов и воднорастворимых соединений;
для аргиллитов, алевролитов, песчаников, конгломератов, известняков, доломитов, мергелей, опок, треппелов и т. п. — литот огические особенности, прочность, размягчаемость и выветри- ваемость;
дня гипса, ангидрита, галита, сельвина — показатели вещественного состава, плотность и растворимость.
197
Рис.
11.10. Схема переформирования берега в
результате проявления процессов
абразии.
J
—
первоначальный береговой склон; 2
—размытая порода; 3
— береговая отмель; S
—
ширина зоны размыва; L
—
ширина отмели.
В
заключение первого этапа представляется
серия карт, среди которых необходимыми
для расчета переработки являются
картограммы волнений. Кроме того,
по данным бурения и горнопроходческих
работ составляются геолого-л отологические
поперечники, необходимые для проведения
расчетов. Результаты выполненного
прогноза развития берегов отражаются
на карте инженерно-геологического
районирования.
На
втором
этапе
— в периоды наполнения и эксплуатации
водоема основное внимание уделяется
изучению береговой линии на выбранных
ранее геодинамических площадках и
полигонах, уточняются данные по
размываемости горных пород, оценивается
выполненный прогноз и при необходимости
в него вносятся соответствующие
коррективы.
Как
уже отмечалось выше, главными показателями
процесса переработки берегов являются
ширина зоны размыва и скорость отступания
берегового уступа в глубь суши. В
результате переработки формируется
следующий тип берега (рис. 11,10). В пределах
его выделяются те же элементы, что
и на морских побережьях. В случаях
сопряжения уровня водохранилища с
крутыми склонами, сложенными прочными
породами, формирования аккумулятивной
отмели происходить не будет, а весь
размытый материал будет сноситься на
глубину или уноситься вдольбереговыми
течениями.
МЕТОДЫ
ПРОГНОЗА ПЕРЕРАБОТКИ БЕРЕГОВ
В
практике создания искусственных
водоемов особое место занимают
вопросы предсказания возможной ширины
зоны переработки берега в результате
развития абразии, оползней, карста,
процессов выветривания, деградации
многолетней мерзлоты и других явлений.
Проблема эта весьма сложная, ибо условия
формирования берегов водохранилищ,
расположенных в различных регионах,
весьма раз
198
нообразны.
Разработанные методы прогноза для
одного каскада ГЭС,
как
правило, не могут быть полностью
применены даже на соседнем
каскаде,
не говоря уже о контрастных
геолого-геоморфоло- гических
условиях
— равнинные участки и горные районы и
т.д. Так.
разработанные
в 50—60-х годах методы оценки переработки
берегов
Волжских
и Камских водохранилищ из-за весьма
существенных
различий
природных условий не смогли быть
использованы па
водоемах
Восточной Сибири. Главными осложняющими
факторами
явились
сезонная и многолетняя мерзлота, широкое
развитие трампового магматизма,
обусловившего существенную расчлененное
ib
рельефа
и его высокую энергию, климатические
условия, определяющие
длительный
период ледового режима, повышенная
сейсмичность отдельных участков
побережий и т. п. Да, наверное, и нет
необходимости в разработке стандартного
метода расчета. В этом вопросе нужно
согласиться с мнением Г. С. Золотарева
(1990), который
считает,
что «создание универсального метода
прогноза или расчета
переформирования
высоких берегов водохранилищ со с
южными инженерно-геологическими,
гидрогеологическими и гид- родогическими
условиями
нецелесообразно из-за весьма различного
их
характера,
интенсивности и изменчивости во
времени». И
(алее он
полагает, что многочисленные методики
прогноза переработки
берегов
водохранилищ обоснованы теоретическими
разра- бо1ками,
отражающими конкретные природные
условия. Поэтому меюды
расчета
могут быть различными в зависимости
от геологического
строения
склонов, развития различных геологических
процессов,
реального
волнового и уровенного режимов и
возможных техногенных
изменений
геологической среды на конкретном
водоеме
или их
каскаде в целом.
В
нашей стране наиболее применяемыми в
настоящее время яв 1яются
методы, предложенные Е. Г. Калугиным
(1959), Г. С. Зо- тшаревым (1969), Н. Е. Кондратьевым
(1960), Е. К. Гречищевым (1961 "V, JI.
Б.
Розовским, И. П. Зелинским (1975), И. А.
Печеркиным (1969), Институтом земной коры
СО РАН (1976 г.), ПНИИНСом (Рагозин
и
Бурова, 1993) и другими научными коллективами.
В
настоящей
главе мы не будем рассматривать каждую
из этих методик,
они
подробно изложены самими авторами в
указанных пиликациях,
а
также приводятся во многих учебниках
по инженерной
геологии
и инженерной геодинамике (Золотарев,
1983, 1990,
Ломтадзе,
1977; Маслов, Котов, 1971; Попов, 1959, и др.).
В
качестве примеров приведем лишь
некоторые из наиболее пиюльзуемых
методов.
Метод
Е. Г. Качугина
(1959). По Е. Г. Калугину, ширина зоны размыва
берегов
определяется двумя параметрами:
суммарной зпергией
волнения
и способностью горных пород подвергаться
размыву.
Объем
размытой породы при переработке берегов
опре- ле
лется по
следующей формуле:
Q
=
ЕКр
Кб
tb, (11.4)
199
Класс |
Характеристика породы |
|
I |
Очень легкоразмываемые пески мелкозернистые, супеси легкие, лессовые породы |
0 00650-0 00300 |
II |
Легкоразмываемые пески среднезернистые и супесн рыхлые, со щебнем |
0 00300-0 00100 |
III |
Средней размываемости суглинки тяжелые, суглинки с валунами, глины и пескн с гравием и галькой |
0 00100-0 00050 |
IV |
Труднораэмываемые песчаники глинистые, галечники с песком и валунами, глииы с прослоями опок |
<0 00050 |
200
Рис.
11.11. Расчетная схема для прогноза
переработки берегов по методу Е. Г.
Качугина.
уровня
96—98 %-ной обеспеченности в период
открытой йоды, спиленное на 1/3 высоты
рабочей волны.
Метод
Г. С. Золотарева
(1969). Предложенный метод позволяет
прогнозировать переработку берегов
на 10-летний и конечный сроки формирования
берега. Он основан на учете геологических,
!еоморфологических, гидрогеологических
данных. Для построения профиля прогноза
переработки необходимо иметь следующие
материалы:
параметры
волн — высоту и длину при разной
обеспеченности и силе ветра, с учетом
рельефа и дна водохранилища;
уровенный режим водоема для периодов разной водообеспе-
ченносги;
инженерно-геологические разрезы берега в масштабах 1 : 1000 in и 1 : 200 с характеристикой микрорельефа и состава грунтов, с ыгающих берег;
гидрогеологические данные, характеризующие водоносные юризоиты, их уровни и динамику, а также данные, оценивающие v. шпень влияния подземных вод на прочность горных пород;
фактические данные о морфологии и морфометрии устойчивых откосов и склонов разных генетических типов, характерных j 1я различных пород и т. п.
Последовательность расчета и построения прогнозного профи- 1я формирования берега на 10-летнюю и конечную стадию экс- п 1\агации водоема заключается в следующем.
Построение профиля прогноза начинается с определения глубины расположения бровки уступа береговой отмели — точки А, находящейся ниже линии НПГ, на глубине максимального размыва. равной hp (рис. 11.12). Сразу правильно определить положение jioh точки трудно, поэтому построение профиля прогноза повторяю! 2—3 раза, пока положение точки А не будет обосновано со-
201
Породы |
Угол откоса отмели |
Угол наклона отмели «2 и а3 для стадии, граа |
Угол наклона зоны наката и сс4 для стадии, град |
Коэффи циент аккуму- |
||||
|
а,, град |
10 лет |
конечная |
10 лет |
конечная |
ляции по объему, Т |
||
Пески тонко- и мелкозернистые |
<10-12 |
1.5 |
1 |
5 |
3 |
5-10 |
||
Пески разно- и средне |
3 |
2 |
6 |
4 |
10-15 |
|||
зернистые |
|
|
|
|
|
|
||
Пески крупнозернис |
|
5 |
3 |
10 |
6 |
15-20 |
||
тые н гравий |
|
|
|
|
|
|
||
Галечник н щебень с |
<18-20 |
10-12 |
8-10 |
18-20 |
15-18 |
20-35 |
||
песчаным заполнителем |
|
|
|
|
|
|||
Галечник и щебень с |
|
8-10 |
6-8 |
15-18 |
14-16 |
20-35 |
||
глинистым заполнителем |
|
|
|
|
|
|
||
Супеси |
|
1.5 |
1 |
4 |
3 |
3-5 |
||
Суглинки |
<8-10 |
1.5 |
1 |
4 |
2-3 |
<3 |
||
Глииы |
2 |
1.5 |
6 |
8 |
0 |
|||
ЛСссовые породы |
|
1.5 |
1 |
4 |
2 |
<3 |
202
во
ты 20 %-ной обеспеченности. Для конечной
стадии переработки местоположение
точки А
по глубине принимать — для легко-
размываемых грунтов 2.5—3.0 высоты волны
5 %-ной обеспеченное in
и
для трудноразмываемых грунтов (глин,
мергелей и т. п.) 2—2 5 высоты волны с
повторяемостью 1—2 раза в 100 лет.
Определив
положение точки А,
от нее под углом а, проводят шито,
намечающую уступ откоса подводной
отмели до точки Д,
находящейся
на первоначальном береговом склоне.
Величина угла откоса а, определяется
по табл. 11.6. Затем от этой же точки А
под
углом а2
проводится линия, характеризующая
аккумулятивную часть подводной отмели,
она продолжается до точки В
(точка пересечения с первоначальной
поверхностью берегового склона). Ветчина
угла а2
определяется составом материала,
слагающего аккумулятивную часть отмели
(табл. 11.6).
От
точки В
до точки С
(пересечение с линией НПГ) под углом а
намечается поверхность абразионной
отмели. Угол а3
зависит 01
степени размываемости пород, стадии
прогноза и высоты волн. Выше точки С
устанавливается зона наката волн.
Угол
а4
— угол наклона берега в зоне наката —
берется по таб I
11.6,
а высота этой зоны hH
определяется
по следующим фор- ч\
!ам.
для
песков, лёссовидных суглинков и других
легко размываемых пород
hH = 0.3 ft,, (11.5)
для щебня, плотных глин, мергелей и других трудноразмываемых пород
h„ = 05ha, (11.6)
ue ht — высота волны.
Над зоной наката волны между точками Е и F намечается надводный откос, контур которого устанавливается по углам естествен! .ого откоса а5 и а6 и форме, которую грунт принимает в ес- теи венных отложениях.
Выполнив первое построение прогноза переработки берега, оп- редепяют соотношение площадей аккумулятивной части отмели (F,) и размытой части склона (F2). Если это соотношение соответствует принятому коэффициенту аккумуляции, построенный прогноз считается достоверным. В противном случае, перемещая точку А,
производится повторное построение с целью соответствия соотно
шения площадей коэффициенту аккумуляции.
Метод Г. С. Золотарева, как и метод Е. Г. Калугина, основан на принципе подбора. Но в нем на самом первом этапе расчетов и построений необходимо установить тип подводной береговой отмети — либо абразионная, либо абразионно-аккумулятивная.
Метод, разработанный в Институте земной коры СО РАН. Принципиальные основы метода были предложены Е. К. Гречище-
203
вым
(1961). Метод позволяет производить прогноз
ширины зоны размыва на разное количество
лет. Как и в двух предыдущих методах,
здесь также необходимы сведения по
ветровому волнению, определяющему
энергию, знание уровенного режима
водоемов, точные инженерно-геологические
разрезы по расчетным профилям и
данные по размываемости грунтов.
Ширина
зоны размыва и здесь определяется через
объем размытых горных пород, который
рассчитывается по формуле
где
Q
—
объем горных пород (в м3),
размываемых за время t
(в
годах);
Е
— суммарная среднегодовая энергия
волнения (в тм): lz
—
норма размыва, представляющая собой
количество энергии волнения, расходуемой
на размыв 1 м3
горной породы для берегов с определенной
высотой берегового уступа.
Для
определения нормы размыва построена
специальная номограмма переходных
коэффициентов размываемости Kz
(рис.
11.13). На графиках выбирается кривая,
соответствующая высоте (Z)
берегового
уступа. Пересечение этой кривой с линией
суммарной энергии волнения Ке
и даст значение Кг
(на номограмме шкала слева) После этого
начальная размываемость (взятая из
таблиц размываемости пород) делится
на найденный переходной коэффициент,
что и дает норму размыва на определенную
суммарную энергию волнения.
Ширина
зоны размыва S
рассчитывается
по формуле
где
Я — высота берегового уступа. Эта
величина и откладывается на расчетном
профиле от линии уреза водохранилища,
к ней при-
Рис.
11.13. Номограмма переходных коэффициентов
размываемости
горных
пород.
(11.71
(11.81
40
204
z
Рис
11
14. Объемы
горных пород, размываемых на берегах
с различной высотой
уступа
по индексам суммарной энергии волнения
(по Г. М. Пу-
ляевскому).
бавтяется
еще горизонтальное положение ширины
берегового ус- т\па,
которое
определяется по углам естественного
откоса.
Г.
М.
Пуляевским для упрощения расчетов
предложено еще два фафика-номограммы
определения Q
(рис.
11.14) и S
(рис.
11.15). Обьем
размытой
породы зависит от высоты берегового
уступа и ко
1ичества
энергии
волнения. В принципе, этими же параметрами
определяется
ширина
зоны размыва. С графика (рис. 11.15) с
учетом
высот береговых
уступов и индексов суммарной энергии
волнения
по кривым
линиям устанавливают прогнозную ширину
зон размыва.
Как
считает
Г. М. Пуляевский, при использовании этой
номо- фаммы отпадает необходимость
определения переходных коэффициентов
размываемости и норм размыва, а также
объема размытой
породы.
Рис
1115. Ширина
размыва берегов с различной высотой
уступа по индексам суммарной энергии
волнения (по Г. М. Пуляевскому).
205
Метод
прогноза величины берегоразрушений
побережий, сложенных сульфатными
породами,
разработанный И. А. Печерки- ным (1969).
Разрушение закарстованньгх берегов
происходит по- иному, чем берегов,
сложенных некарстующимися породами,
ибо в данном случае процесс берегоразрушения
прежде всего определяется растворением
породы водами водохранилища, что
приводит к отсутствию прибрежных
отмелей. Обработка большого количества
данных по закарстованным берегам
Камских водоемов позволила
предложить формулу расчета отступания
бровки склонов в
процессе
переработки:
S
=
2.58 ■ Г0-907, (119
где
S
—
ширина отступания берега, м; Т
— время, годы. Величина 2.58 и 0.907 —
эмпирические коэффициенты для условий
Камских водохранилищ. Эта зависимость
выражается в виде линии
(рис.
11.16), практически не отличающейся от
прямой, что позволяет
прогнозировать ширину переработки
берегов, сложенных сульфатными породами.
При этом Первым годом может являться
любой
год, с которого начинаются исследования.
Заданные сроки
прогноза
(годы) подставляются в формулу, и
получается ширина
зоны
переработки. Для определения объемов
разрушенных порол
И.
А. Печеркиным дана следующая формула:
Q
=
2.58 ■ Г0-907
h6, (11.10
где
Q
—
обрушенная вследствие растворения
порода, м3
на пог. и,
й6
— средняя высота берега.
Для
удобства расчетов с учетом высоты
берега (до 30 м) для
Камских
водохранилищ составлена номограмма
расчета объемов
переработки
закарстованных берегов (рис. 11.16). Данный
метод предложенный для прогноза
переработки берегов Камских водохранилищ,
сложенных сульфатными породами,
опробовался в аналогичных
условиях и на некоторых водоемах Сибири.
Сходимость прогнозных и фактических
показателей удовлетворительная.
Метод
природных аналогов Л. Б. Розовского.
Метод разработан для прогноза
развития берегов, сложенных преимущественно
лёссовидными и рыхлыми отложениями на
примере Днепровского каскада ГЭС.
Оценка
абразионной устойчивости склонов
водохранилищ про изводится с помощью
альбомов природных аналогов, которые
представляют собой участки побережий
исследованного водохранилища. На
картах показано положение отдельных
элемента рельефа или водохранилища
(бровка берегового откоса, Горизонта
НПГ
и т. п.) до наполнения, через 2 года и
через 5 лет после наполнения.
Применение в качестве аналогов отдельных
участков позволяет учитывать развитие
процесса в пространстве. Прогно*
выполняется в процессе интерпретации
данных выбранного в альбоме
аналога на оцениваемый объект берега.
206
Q,
м3/пог.
м
Годы
Рис
11.16.
Номограммы для расчета переработки
закарстованных берегов Камских
водохранилищ (по И. А. Печеркину).
В
начале качественно оценивается
однообразие аналога и объема,
при этом
учитывается:
геолого-геоморфологическое
строение;