книги из ГПНТБ / Минервина, Е. Е. Переформирование берегов горных водохранилищ методы и примеры прогноза

Сила P0 принята действующей в направлении сдвигающих сил, являющемся наиневыгоднейшим.

В «методе горизонтальных сил» роль сейсмической инерционной нагрузки в устойчивости склона учтена -путем увеличения непогашен­ ной части активного давления P0 от основной нагрузки на величину PcПри ЭТОМ активное давление Pcettcм в условиях сейсмики

PceflcM=Ptg(α-Ψp)+Pc tgψp,

а коэффициент сейсмической устойчивости

Я-(P0+Pc)

В прогнозах сейсмической устойчивости склона использованы таблицы расчетов устойчивости для случаев наполнения водохранили­ ща I очереди и до НПУ; дополнительно к ним вычислены сейсмиче­ ские силы и величины активного давления. Расчеты1 произведены для двух уровней наполнения по кривой скольжения I—I, обладаю­ щей меньшим запасом устойчивости по сравнению с кривой II—II. Коэффициенты устойчивости при сейсме получились меньшими еди­ ницы и равными 0,78 при уровне водохранилища I очереди и 0,98

при НПУ (табл. 4-23).

7. Интерпретация результатов прогнозов. Со-постав­ лением результатов частных прогнозов устанавливается следующее.

Наибольший объем разрушения береговых склонов будет обра­ зован продуктами уположепия осыпей при затоплении и абразион­ ными размывами, главным образом па уровне I очереди, и составит суммарно около 6—7. млн. л-1; при этом отступание'уреза от проект­ ной линии ППУ составит 20—40 м па крутых участках осыпных склонов и до 100—Г20 м на участке выхода гипсоносных глин и делювиально-пролювиальных грунтов в Худо-иском овраге; на участ­ ке активных оползней в верховьях оврага отступание уреза не должно -иметь места. Абразионная переработка и уположепие осыпей должны закончиться в строительном периоде.

За счет переработки произойдут -приращение полезного объема водохранилища примерно на 4,7 -млн. M3 и уменьшение мертвого -на

10 млн. м3.

Строительная дорога па значительном протяжении осыпного склона попадает -в зону актив-ной переработки при уровне I очереди водохранилища и, следовательно, может безопасно эксплуатиро­ ваться лишь до начала его наполнения.

Абразионная переработка берегов, несмотря па ее значительный объем (6,7 млн. м3), -не может отрицательно влиять на работу водо­ хранилища ввиду постепенного попадания в него продуктов размыва. Волновые явления могут иметь место в связи с падением в водо­ хранилище глыб с известняковых карнизов или смещением значи­ тельных объемов обвально-оползневых или селевых масс. В этом аспекте опасность может представить мало вероятный случай едино­ временного смещения -в -водохранилище I очереди всего объема 2,4 млн. м3 потенциально неустойчивых осыпей, 50% которого рас­ положено выше отметки затопления (VI86). В связи с этим необ­ ходимы проектные, организационные -или другие мероприятия для смягчения отрицательного -эффекта явления.

1 Расчет сейсмической устойчивости произведен I Μ. И. БукаJ ■

166

Активизация верхних худопских оползне«, если она будет вызва­ на только водохранилищем, не представит угрозы эксплуатации последнего, так как вторичные оползни в краевой зоне оползневого поля "будут происходить "небольшими порциями лишь в периоды высоких уровней и отлагаться преимуществен ɪo в логу оврага. В противоположность этому неорганизованное скопление в овраге отходов гипсового карьера может увеличить объем неустойчивых масс, повысить напряжение -пород склона и представить угрозу образования селя неподалеку от плотины.

При наполнении I очереди возможное нарушение глубинной устойчивости склона по древним поверхностям скольжения, пред­ полагающимся в районе поп. 5, определилось незначительным сни­ жением коэффициента устойчивости против единицы (0,94—0,98), при котором амплитуда смещения оползневого тела должна быть -неболь­ шой, а движение—медленным, не сопровождаемым волновыми явле­ ниями в чаше. Существенное снижение коэффициента устойчивости может иметь -место в крайне неблагоприятных случаях: во-первых,

при быстрой сработке уровня на 90 м с НПУ до УС (⅛cpa6=O,7i5)

и, во-вторых, при сейсме сверхвысокой балльности при уровне I оче­ реди (⅛cettcM=0,78). Исходя из этого, наполнение -водохранилища до уровня I очереди со статической и сейсмической точек зрения является менее -благоприятным, чем до НПУ.

Положительную роль в -балансе сил, действующих на с-кло-н, сыграют накопление донных наносов и размыв волнами верхней зоны потенциально оползневых склонов.

Г Л А В А П Я T А Я

НЕКОТОРЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИССЛЕДОВАНИЯМ ПЕРЕРАБОТКИ БЕРЕГОВ ГОРНЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ И МЕРАМ БОРЬБЫ C ЕЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫМИ ПОСЛЕДСТВИЯМИ

5-1. ЗАДАЧИ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЕРЕРАБОТКИ БЕРЕГОВ

Натурные исследования переформирования берегов

водохранилищ имеют разносторонние аспекты. Режим­

ные наблюдения за процессами переработки позволяют получить фактические данные, используемые в прогно­ зах; -путем наблюдений за процессом проверяются при­

нятые в прогнозах теоретические положения, расчетные параметры, корректируется методика прогноза, решается ряд практических задач, в том числе уточнение прогноз­

ных границ зоны переработки, контроль устойчивости

сооружений и т. п.

Научное и практическое значение натурных исследо­

ваний в будущем в связи со строительством новых круп­

ных гидроэнергообъектов в горноскладчатых областях

Советского Союза значительно возрастет.

167

Излагаемые ниже рекомендации по натурным иссле­ дованиям переработки берегов горных водохранилищ базируются в первую очередь на опыте исследований

процесса на водохранилищах Грузин.

Комплекс натурных исследований включает геолого­

геоморфологические исследования, режимные гидрологи­

ческие наблюдения и геодезические измерения дефор­ маций или изменений рельефа береговых склонов.

5-2. ГЕОЛОГО-ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Базой геолого-геоморфологических исследований

являются изыскания па стадии проектирования; сами исследования продолжаются в течение всего времени эксплуатации водохранилища.

Как известно, еще на первой стадии изысканий и

проектирования на инженерно-геологической карте тер­

ритории будущего водохранилища изображается совре­ менная геодинамическая обстановка с имеющимися на этой стадии прогнозными оценками. На следующей ста­

дии проектирования па выделенных на карте для де­

тального изучения участках выполняется комплекс

инженерно-геологических исследований: крупномасштаб­

ная топографическая и инженерно-геологическая съемки;

буровые и горнопроходческие работы, иногда геофизи­

ческая электроили сейсморазведка; гидрогеологические

исследования; лабораторное изучение петрографического

и минералогического состава и физикд-механических свойств пород, полевые исследования при крупнообло­ мочном их составе; экспериментальные исследования изменяемости свойств пород под влиянием факторов,

связанных с действием водохранилища, в том числе мо­ делирование выветривания методом гидротермической обработки {Л. 34]; моделирование напряженного состоя­ ния пород склонов [Л. 19] и др. В совокупности они служат основой количественных прогнозов переработки берегов, выполняемых на стадии технического проекта. По результатам этих прогнозов выделяются контрольные участки, составляются программа, проект организации натурных наблюдений и методика. Закладка стационар­ ной сети для натурных наблюдений осуществляется до начала наполнения водохранилища. На стадии эксплуа­

тации водохранилища геологические наблюдения в ком­

плексе с другими ограничиваются контрольными участ­

ками.

168

В цикл ежегодных наблюдений на контрольных уча­ стках входит «дежурная» крупномасштабная инженерно­ геологическая съемка, позволяющая следить за измене­

ниями геодинамической обстановки склона в процессе эксплуатации водохранилища. Периодически, 1 раз в год,

производятся обзорные обследования всей зоны пере­

формирования берегов.

Полевые наблюдения за выветриванием пород про­

изводятся в местах выхода коренных пород на дневную

поверхность в периодически затапливаемой части скло­

на, где они подвергаются выветриванию, интенсифици­ руемому водохранилищем. Наблюдения за разрушением

склонов вследствие выветривания ведутся визуально и с помощью замеров по штырям. Для этого по наблю­

дательному створу в зоне колебаний уровня в грунт за­ бивается несколько металлических штырей длиной 1,5— 2 м, концы которых возвышаются на 10—20 см над по­

верхностью склона. Регулярно наблюдая за увеличени­ ем длины штырей над поверхностью земли, можно су­ дить о темпах разрушения откоса. Полевые наблюдения дополняются лабораторными исследованиями пород по образцам, периодически отбираемым из зоны колебаний уровня: определяются изменения гранулометрического

состава, объемного веса, пористости, влагоемкости, раз-

мокаемости, показателей пластичности и сопротивления

сдвигу (φ и с).

Наблюдения за колебаниями уровня грунтовых вод

путем организации стационарной гидрогеологической

службы необходимо проводить регулярно, особенно в пе­

риод наполнения водохранилища и при больших сезон­ ных или аварийных сработках горизонта воды. Для этой цели используются разведочные скважины на заданных створах, оборудованные для режимных наблюдений. При

этом необходимо соблюдение одновременности замеров

уровня воды в водохранилище и скважинах на берегу.

Длительные непрерывные наблюдения за изменениями

уровня грунтовых вод на склонах особенно важны для глубоких горных водохранилищ с большой призмой сра­

ботки воды.

При изучении оползневого переформирования берего

вых склонов последние .подразделяются на склоны, пора

женные оползнями до создания водохранилища, и скло­

ны, на которых оползни возникли после его создания

Среди них следует различать склоны, находящиеся в ста-

дии временной стабилизации, подготовки основного сме­ щения или вторичных оползневых явлений. Следует

также выделять оползни, связанные с эрозией, абразией, колебаниями уровня водохранилища и оползни сложного

генезиса. Последние обычно приурочены к участкам бе­

реговой зоны, где одновременно действуют два или бо­

лее главных оползневых фактора. Такое классифициро­ вание позволяет перейти к анализу взаимодействия во­

дохранилища с оползневым процессом. Задача решается

•путем стационарных наблюдений на опорных оползне­

вых участках береговой зоны.

Наблюдения ведутся стационарной оползневой служ­ бой, организуемой на водохранилищах при наличии в бе­ реговой зоне крупных потенциальных или действующих

оползней. Режимные наблюдения за появлением и раз­

витием трещин и оползневых деформаций, наряду с ана­

лизом других данных, позволяют заблаговременно пред­

видеть размеры и вероятные сроки смещения оползневых

масс, следить за изменением скорости смещения. В слу­ чае усиления темпов деформации склона, грозящего

перерастанием медленного оползня в катастрофический,

служба наблюдения вовремя оповещает об ожидаемой опасности. Пример катастрофического оползня на водо­ хранилище Вайонт показывает, как важно своевременно прогнозировать время и размеры больших оползней на

горных водохранилищах.

Наблюдения за селевыми явлениями занимают осо­

бое место, поскольку сели обычно не связаны с работой водохранилища. Наблюдения за селями (а также снеж­

ными лавинами) в зоне водохранилища и в первую очередь вблизи плотин имеют важное практическое зна­ чение. Поэтому на выявленных селеопасных участках выполняются детальная топографическая и инженерно­

геологическая съемки в масштабе 1 : 1 000—1 :5 000; оце­

нивается -наличие благоприятных природных условий

для селеобразования: интенсивность атмосферных осад­

ков и условия их накопления, рельеф, литология, пора­ женность зоны питания селя современными геодинами­

ческими проявлениями. Служба наблюдения, располагая

данными предварительной оценки разрушительного дей­

ствия и других последствий селя по сведениям о про­

ной силе потока и содержании в нем крупнообломочного

17.0

материала, проводит эпизодические обследования селе-

опасных участков, приурочивая их к периодам интенсив­

ного выпадения осадков или снеготаяния для своевре­ менной сигнализации об опасности.

5-3. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И НАБЛЮДЕНИЯ

Данная группа исследований включает все виды над­ водных и подводных работ, проводимых на акватории.

Надводные исследования включают режимные наблюде­ ния за изменениями уровней водохранилища, ветром и

волнением, продольными течениями и ледовыми явле­

ниями.

Наблюдения за колебаниями уровня на горных водо­

хранилищах как наиболее существенным гидрологичес­

ким фактором переформирования имеют первостепенное

значение. Конструкция водомерных устройств должна обеспечивать падежную регистрацию уровней во всем

многометровом диапазоне их колебаний (иногда до 70—

80 м). Для водохранилищ горного типа организация

одного водомерного поста у плотины является недоста­

точной вследствие возможности значительной денивиля-

ции зеркала при интенсивной сработке или сильном волнении. Поэтому необходима организация водомерных

постов в двух-трех пунктах на разных участках водохра­ нилища, приуроченных к местоположению волномерных

станций или наблюдательных створов на берегу.

Наблюдения за ветро-волновым режимом приобрета­ ют большую актуальность в горных водохранилищах, поскольку в них волнение является одним из главных факторов переработки берегов, а своеобразные условия

горного рельефа обусловливают иные, чем в равнинных

водохранилищах, режимы ветров и закономерности раз­

вития волн. Кроме того, горные водохранилища создают­ ся обычно в местах, отдаленных от гидрометеостанций,

или отгорожены от них высокими горами, меняющими

ветровую обстановку; в основу же прогноза волнового

режима берутся данные о ветрах по этим станциям.

Следовательно, в расчетах параметров волн заведомо

допускаются погрешности, уточнение которых возможно

только путем натурных наблюдений за ветром и волна­

ми на действующем водохранилище по избранным рас­

четным направлениям.

Значительная протяженность горных водохранилищ, извилистость контура, а также частая изменчивость вет­ ровой обстановки на отдельных участках акватории

вызывают необходимость организации нескольких вол­

номерных станций по длине водохранилища (например,

в приплотинной, средней и верхней частях). Учитывая значительные величины колебаний уровня, волномерные

посты необходимо организовать на плаву с обеспечением перемещения их по вертикали, а также по горизонтали

для постоянного соблюдения условий требуемого удале­ ния от берега. Методически волномерные наблюдения на

плавучих постах по приборам (желательно с автомати­ ческой записью скорости ветра и параметров волн) не

отличаются от общепринятых наблюдений подобного рода. Наличие на волномерных постах самописцев уров­ ней воды позволяет выяснить влияние глубины водоема

на параметры волнения.

Для высокогорных водохранилищ при возможности

образования ледяного покрова наряду с ветро-волномер-

нымп необходимо вести наблюдения за состоянием по­

верхности воды в аспекте ледовых явлений.

Течения в горных водохранилищах играют определен­

ную роль в формировании чаши. Для них характерна сложная гамма течений как по площади акватория, так

и в вертикальном разрезе, среди которых можно выде­ лить: остаточные (речные) течения, наблюдаемые перио­

дически в зоне переменного подпора; продольные (стоко­

вые) течения, обусловленные постоянным перепадом между верхним и нижним бьефами, усиливающиеся при форсированных сработках; паводковые течения; сгонно­ нагонные (ветровые) и прибойные (волновые) течения.

Роль последних ограничена определенными типами гор­

ных водохранилищ.

Для измерения скорости и направления течений мож­

но использовать приборы, нашедшие распространение

в практике гидрологических морских и речных исследо­

ваний: вертушки Жестовского Ж-3 с поплавками, бифи­ лярные вертушки, вертушки ТНИСГЭИ и Др. При зна­ чительных глубинах воды желательны измерения скоро­

стей и направлений течений по вертикали. Для отбора

проб воды на анализ содержания взвешенных частиц пользуются батометрами разных конструкций.

В комплекс подводных исследований входят промеры глубин (съемка подводного рельефа), осмотр и докумен-

172

тация состояния подводных склонов, наблюдения за на­ коплением и миграцией наносов, отбор образцов грунта со дна.

Съемки дна следует приурочивать к периодам наибо­ лее низких уровней, в отдельных случаях, после больших аварийных сбросов воды — во внеочередном порядке.

Для обеспечения взаимоувязки между надземными и подземными топоработами съемка дна должна произво­

диться в одинаковом масштабе со съемкой склона и распространяться выше уреза воды в момент производ­

ства работ с некоторым перекрытием надводной части склона. Подводная съемка проводится по поперечникам

зарекомендовал себя простотой и достаточной точностью результатов при сравнительно малых глубинах воды (до 15—20 м). При больших глубинах целесообразно приме­

нение гидроакустических приборов — эхолота или геоло­

катора. C помощью последнего можно, кроме глубины,

отбивать ложе современных осадков.

Параллельно с промерами глубин производятся опи­ сание подводных склонов и отбор образцов донных об­

разований. Регулярное визуальное обследование и фото­

графирование части склонов, обнажающейся из-под

воды при низких уровнях, позволяют своевременно обна­

ких водохранилищ типа Джварского должны выполнять­ ся водолазные работы с применением индивидуальных

средств погружения водолаза-исследователя. При этом

производятся непосредственный осмотр и описание от­

дельных участков, различные замеры, отбор образцов и

проб, подводное фотографирование, позволяющие до­

кументировать и иллюстрировать наблюдения водолаза.

5-4. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ СКЛОНОВ И ПЕРЕРАБОТКОЙ БЕРЕГОВ

Для количественной характеристики изменений релье­

фа в береговой зоне водохранилища на контрольных

участках организуется топогеодезическая наблюдатель­ ная сеть, представляющая собой ряд поперечных ство­

ров, закрепленных на местности. Каждый створ закре-

173

пляется одним репером и двумя-тремя (или больше)

марками. Реперы устанавливаются на устойчивых ме­ стах за пределами зоны переформирования на оптималь­

ном удалении от проектной линии НПУ, а марки распо­

лагаются ниже по склону вплоть до уреза. Створы

ориентируются перпендикулярно линии уреза или по на­

правлению возможного движения оползня. Наблюда­

тельные створы связываются между собой геодезическим

ходом, вся сеть привязывается высотно и в плане к опор­ ным топографическим знакам или капитальным соору­ жениям вблизи водохранилища.

Первый этап инструментальных геодезических изме­ рений по поперечникам проводится до наполнения водо­

хранилища и имеет целью зафиксировать первоначаль­

ное состояние прибрежных склонов. После наполнения

водохранилища в течение всего периода его эксплуата­

ции периодически проводятся повторные измерения

рельефа по тем же створам. После каждого цикла изме­

рений по данным надводных и подводных промеров строятся единые профили берегового склона. Наложение последующих профилей на предыдущие позволяет коли­

чественно оценить изменения рельефа (переформирова­

ние), происшедшие за данный отрезок времени.

Частота наблюдений по инструментальной сети в со­

ответствии с теорией переработки берегов Е. Г. Калуги­

циклов инструментальных наблюдений необходимо про­

вести через 1,5—2 мес. после достижения уровнем

проектной отметки НПУ, второй — после сработки уров­

ня воды. В дальнейшем повторяемость наблюдений мож­ но свести к 1 разу в год в период низкого стояния уров­

ня водохранилища.

В последнее время в инженерно-геологических иссле­

дованиях находят все большее распространение фото­

теодолитная и стереофотосъемки. Для горных водохра­ нилищ с труднодоступными крутыми бортами такие съемки являются удобным и весьма результативным ме­

тодомведения контроля за изменением состояния скло­

нов. Они выполняются на особо важных участках с суши или с воды периодически в комплексе с другими вида­

ми наблюдений.

174

В наблюдениях за глубокими оползневыми дефор­ мациями склонов могут найти применение методы глу­ бинных реперов (К. А. Гулакян, 1965 г.), теодолитных

створов, базисных промеров (А. Н. Чиж, 1950 г.) и дру­

гих точных инструментальных измерений.

5-5. НЕКОТОРЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО БОРЬБЕ

C ОТРИЦАТЕЛЬНЫМИ ПОСЛЕДСТВИЯМИ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ БЕРЕГОВ ГОРНЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ

Защита берегов горных водохранилищ от разруше­ ния имеет важное народнохозяйственное значение.

Эффективность берегозащитных мероприятий зависит от

соответствия мероприятия закономерностям процесса

■переформирования. Отечественная практика борьбы с разрушением берегов располагает достаточным опы­ том. Однако при известной общности процессов перера­

ботки берегов морей, крупных равнинных водохранилищ

и береговых склонов горных водохранилищ последние, как показано в предыдущих главах, обладают опреде­

ленной спецификой, обусловленной их отличными геоло­ го-морфологическими и эксплуатационными условиями,

подлежащими учету при проектировании защитных ме­ роприятий.

Берегозащитные мероприятия на водохранилищах

направляются, как правило, против двух основных видов

разрушения: волнового размыва и оползие-обвальных

деформаций склона.

Вопросы защиты берегов горных водохранилищ, не­ смотря на их актуальность, почти не разработаны, а осу­

ществление мер защиты зачастую наталкивается на зна­

чительные трудности.

Противоабразионные мероприятия на горных водо­ хранилищах проводятся на локальных участках вблизи

основных гидротехнических сооружений (в первую оче­ редь плотин) и важных инженерных объектов, где ожи­ дается интенсивный волновой размыв. Противоабразион-

ная защита осложняется постоянным перемещением

уровня абразии по высоте призмы сработки.

Из существующих видов защиты берега от размыва

наиболее целесообразным для горных водохранилищ

является защита каменной наброской из местных мате­

риалов. Создаваемый каменный контрбанкет дает двой­ ной эффект: помимо защиты откоса от выветривания и

175