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

написании гл. 2 послужили данные по Храмскому водо­

хранилищу, поскольку на нем специфика абразии, при­

сущая горным водохранилищам, прослеживается осо­

бенно четко.

Как изложено в § 1-2, Храмское водохранилище рас­

положено в высокогорной котловине, ограниченной срав-

Piic. 2-2. Обрушение кромки бортов водохранилища в результате воздействия волн при высоком уровне воды.

нптельно пологими бортами в эффузивных породах, по­

крытых неравномерным чехлом суглинков. Грунтовые

воды в бортах котловины практически отсутствуют.

Обводнения склонов водохранилищем, судя по шурфам

на берегу, за 10 лет не наблюдалось, так как вода, сво­ бодно фильтруя через трещиноватые породы бортов и

водопроводящие слои донных грунтов, дренируется

каньоном. Условия фильтрации к низким базисам харак­

терны для многих горных котловин, поэтому вопросы

подпора грунтовых вод получают подчиненное значение;

большее значение имеет низкая влажность грунтов, влия­

ющая на характер и темпы переработки.

Режим эксплуатации Храмского водохранилища ха­

рактеризуется ежегодными цикличными изменениями

32

ритов смыт тонкий почвенный слой. Оголенный берег имеет мелкоступенчатый профиль, созданный вывалами

вывернутых волнами обломков пород, которые у подно­

жия образуют крупноглыбовый навал. Далее, в запад­ ном направлении (второй участок), берег понижается,

уполаживаясь до 15—16°. Здесь абразия берега выра­ жается утоныпением делювиального слоя и разрастани­

ем площадей островного обнажения лав.

Юго-восточный борт (ранее левый берег р. Агричай)

отличается от юго-западного морфологией и характером

Рис. 2-4. Профиль юго-восточного борта Храмского водохранилища. Переработка за 12 лет (см. поп. 20 на рис. 2-І).

! — суглинки; 2 — долериты; 3 и 4 — нижняя и верхняя аккумулятивные отмели.

переработки. Это наиболее высокий склон котловины,

при общей крутизне 10—15° он ранее имел уступ к реке

крутизной 25—31°. В пределах первого участка от пло­

тины (длиной около 1 км) долеритовый склон, как и юго-западный, интенсивно разрушается волнами. Сле­

дующий участок берега сложен горизонтально-слоисты­

ми верхнеозерными грунтами, перекрывающими долери­

ты. Грунты — переслаивающиеся желтые суглинки, супе­ си и пески—характеризуются значительной прочностью в сухом состоянии (φ=26÷30o; с = 0,2 кгс/см2) и быст­ рым размоканием в воде с проявлением просадочных

интенсивно разрушался и к 1960 г. имел вертикальные откосы высотой 6—10 м, у подножия которых местами

наблюдались беспорядочный навал глыб обрушения

(рис. 2-2) и осевшие «попы» (рис. 2-3). Подводный

склон приобрел террасированный рельеф (рис. 2-4).

В остальной части берег сложен делювием мощно­

стью от 2—3 до 8—9 м, лежащим на размытой поверх-

34

мости трещиноватых п кавернозных долеритов и пред­ ставленным макропористыми суглинками с белоглазкой и обломками пород. Склон, изрезанный оврагами и изо­ билующий мысами, под влиянием водохранилища зна­

чительно изменил конфигурацию: произошло выравни­ вание береговой линии за счет срезания мысов и отло-

Рис. 2-5. Размыв волнами долеритов юго-восточного борта Храмского водохранилища.

жения наносов в устьях оврагов. На участках со зна­ чительной мощностью делювия образовалисть ниши вы­

вала в замоченных макропористых грунтах; в отдельных

пунктах вследствие подрезки склона абразией произош­

ло сползание делювия по крутой поверхности долеритов с обнажением последних. Вышедшие на поверхность до­ лериты размываются волнами (рис. 2-5).

2-2. ОСОБЕННОСТИ ВОЛНЕНИИ

Горные котловины большей частью открыты дейст­

вию ветров.

В Цалкской котловине преобладают ветры со сред­ ними скоростями от 5—7 до 10—15 м/сек, но нередко

они достигают 25 и даже 34 м/сек, вызывая штормовые волнения. На Тбилисском водохранилище наблюдаются

еще более сильные ветры — до 35—40 м/сек [Л. 7].

Господствующие ветры на Храмском водохранилище

имеют северное, северо-западное и юго-восточное на-

Рис. 2-6. Графики зависимости высоты воли от скорости ветра Ab=((1T1ob). Эмпирические кривые Í построены по средним и наи­ большим значениям Ab по данным наблюдений на Храмском водо­

кращается. Нарушение пропорциональной зависимости

между ветром и волнением обусловливает излом графи­

ка Zzb = Z(IWiob) по сравнению с теоретическими кривыми

(по рекомендациям Андреянова, Браславского и др.),

построенными с учетом данных по равнинным водохра­ нилищам, для которых эта зависимость прямолинейна.

36

Согласно рис. 2-6 эмпирическая кривая по ХрамскО-

му водохранилищу отличается от расчетных превышени­

четное /ів близко к действительному. Другие связанные

с высотой параметры воли имеют следующие значения:

ского водохранилища как короткие крутые малого пе­

риода. Аналогичны и волны Тбилисского водохранили­

ща. В последнем высоты волн оказались ниже расчет­ ных при всех скоростях ветра [Л. 6], что подчеркивает

существенное влияние местных условий на их формиро­

вание.

На Храмском водохранилище волны были зарегист­ рированы при всех уровнях; при этом установлено на­

блюдениями и расчетами, что уменьшение h3 при сни­ жении уровня составляет не более 2—3%, хотя длина разгона сокращается существенно; таким образом, вы­

соту волн для водохранилищ котловинного типа можно считать для всех уровней практически одинаковой.

Согласно наблюдениям изменение морфологии бере­

га в результате переработки заметно лишь при уклонах

его более 10—15°; на пологих откосах абразионных от­ мелей не отмечено. В связи с этим возникает вопрос

о трансформации волн.

Границей зоны, где глубоководная волна трансфор­

глубина, при которой происходит опрокидывание гребня

и преобразование волны в прибойную, подсчитанная по

для размываемых склонов крутизной 10—20° равна

в среднем 10 м, чего недостаточно для трансформации и

гашения энергии волн. Поскольку в условиях режима

эксплуатации горных водохранилищ образование акку­

мулятивных отмелей затруднено (см. § 2-5), в перспек­ тиве улучшение условий трансформации волн на позд­ них стадиях переработки маловероятно. Эти особенности волнения на горных водохранилищах необходимо учи­

тывать при прогнозах переработки берегов.

37

2-3. ВЫВЕТРИВАНИЕ ПОРОД В ЗОНЕ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ

ИВЛИЯНИЕ ЕГО НА ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ

Взоне колебаний уровня происходят необратимые

изменения состава и состояния пород вследствие силь­

нейшей активизации процессов выветривания при смене

периодов намокания и освобождения от воды.

Данных об изменении свойств пород под влиянием

водохранилищ очень мало. В частности, на Храмском

водохранилище они ограничиваются визуальными дан­

ными, которые свидетельствуют о повышении трещино­ ватости и степени дробления пород в полосе сработки уровня.

Овыветривании песчано-глинистых третичных пород

вполосе сработки Тбилисского водохранилища имеют­

ся более полные данные (см. [Л. 8, 15]). Согласно этим

данным выветривание толстослоистых аркозовых песча­

ников с прочным криптокристаллическим кальцитовым

цементом базального типа в зоне колебаний уровня вы­

ражается образованием трещин вдоль секущих прожи­ лок гипса в результате его растворения. Из аркозовых песчаников образуются грубообломочные осыпи. Граувваковые песчаники с контактной цементацией зерен

кальцитом, гипсом и глинистой массой крошатся и раз­

рушаются при увлажнении вследствие непрочности це­

мента; при повторных увлажнениях интенсивность раз­

рушения возрастает, происходит размягчение и размель­

чение агрегатов до состояния песка. В переслаивающих­

ся песчаниках и алевролитах с хлорпто-бейделлитовым

цементом происходит набухание глинистых прослоек и

сползание по ним расслоенных песчаников в виде тонких плиток. В гипсоносных аргпллитоподобных глинах, в ко­

торых благодаря каолпнито-гидрослюдисто-бейделлито-

вому составу водноколлоидные связи преобладают над

неустойчивыми кристаллизационными, происходит набу­ хание тонкодисперсной части, сменяющееся усадкой при попеременном увлажнении и высыхании, растворение гипеовых пропласток, расслаивание на листочки, а при

многократных колебаниях уровня — размокание полно­

стью деградированной породы {Л. 8].

Вмайкопских глинах выветривание вызывает изме­

нение гидрослюдпсто-монтморпллонптового состава на типично монтмориллонитовый с уменьшением карбонат-

ности и содержания пирита [Л. 55]; происходят постепен­

38

ное исчезновение микрослоистости, возникновение мак­

ропористости, появление пластических свойств, сниже­

ных известняках происходит оглинение поверхностей

отдельности; при этом геометрически правильные блоки

прочных пород при сравнительно малом изменении внут­ ри оказываются с поверхности покрытыми глинистой массой, приобретающей при намокании роль смазки.

Все эти явления способствуют процессам абразии берегов в зоне колебаний уровня.

2-4. ЗИМНИЙ РЕЖИМ ЭКСПЛУАТАЦИИ ХРАМСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА И ЯВЛЕНИЯ «ЛЕДОВОЙ АБРАЗИИ»

ПРИ СРАБОТКЕ

Зимой энергетическая сработка Храмского водохра­

нилища продолжается и после ледостава на 4—6 м (рис. 2-7). Явления на берегах, сопровождающие сработку

Рис. 2-7. Диаграмма состояния поверхности Храмского водохрани­ лища.

/ — волнение; 2 — штиль; 3 — ледостав.

уровня подо льдом, и роль их в переработке мало изве­

стны. Льдом водохранилище бывает покрыто с ноября

по апрель.

Зимой 1959/1960 г. лед осел на берегах в виде неши­ роких (до 2 м) полос, образующих концентрические

39

«ярусы», амфитеатром спускающиеся к основному полю

льда на водохранилище. На юго-западном борту крутиз­

ной 12—15° образовалось до семи наклонных ледяных

полос с поперечными разрывами льда, создающих впе­

Рис. 2-8. Оседание ледяных «плит» ярусами при зимней сработке уровня водохранилища.

с берегом, ледяные же плиты верхних ярусов лежали

свободно, подтаивая снизу под влиянием излучаемого

берегом тепла. Обрушение примерзшего в виде консо­

лей льда сопровождалось вырыванием породы из берега. Механизм явлений, сопровождающих опускание льда

при зимней сработке, и роль их в переработке берегов

представляются следующим образом (Л. 32]. Если рас­ сматривать ледяное поле, смерзшееся с берегом, как полубесконечную плиту на упругом основании, а откос—

как наклонную стенку, то согласно А. И. Гамаюнову

[Л. 11] предельная величина вертикального давления

льда на стенку-откос составит

^ = 0,52σλ∕ι2, тс¡м,

40

где σ — предел прочности льда на изгиб, tc m^∙, h-τoΛ- щина льда, ж; λ — коэффициент, зависящий от упруго­ сти основания и жесткости плиты льда.

Горизонтальное давление равно

H = 0,644 • 0,624 = 0,402 тс/м,

т. е. приближенно q = H≈0,5 тс/м.

Эти усилия до начала прогибания ледяного поля вос­ принимаются контуром заделки как сжимающие. В про­

цессе прогибания реакция заделки передается толще льда в форме растягивающих сил, стремящихся сместить

его и вмерзшие породы по откосу. При этом сдвигающее

усилие в плоскости контакта [Л. И]

соизмеримо со сцеплением оттаивающего грунта (0,2—

После отрыва и оседания первой полосы образуется

новая кромка льда, смерзшегося с берегом; дальнейшее

опускание уровня вызывает отрыв второй полосы, затем

третьей, четвертой и т. д. вплоть до стабилизации уров­

ня. В результате берег последовательно подвергается силовым воздействиям опускающегося льда с разруше­

нием поверхности откоса, что облегчает размыв его вол­ нами. Отрыв смерзшихся со льдом пород происходит и

при весеннем подъеме уровня.

41