• Формирование берегов морей и озер инженерно-геологическая оценка процессов абразии
• Определение понятий
• Защита морских берегов от размыва (абразии)
• Методы исследований
• Методы прогноза

Формирование берегов морей и озер. Инженерно-геологическая оценка процессов абразии

уровенный режим водоема, рассматриваемый в историческом aспекте и в настоящее время - эвстатические колебания, отливы и приливы, сгонно-нагонные изменения, сработка и подъем горизонтов водохранилищ и озер;

волновой режим - высота, длина, повторяемость и энергия волн ветровых и сейсмических, особенности гидромеханического их воздействия на отмель и клиф;

течения - вдольбереговые, придонные и другие с разными скоростями и энергией;

наносы - закономерности формирования, перемещения и аккумуляции, характеристика их баланса;

воздействие льда на берег и сооружения на нем расположенные.

3. Техногенные и другие:

возведение различных инженерных сооружений, в т. ч. защитных, изменяющих воздействие водоема, перемещение наносов и др.;

разрушающее воздействие химических и биогенных факторов на породы отмели и берегового уступа;

растительность на надводной части берега и на отмели, ослабляющая эрозионное и волновое воздействие вод.

Причины и условия абразии

Основные факторы формирования берегов делятся на активные и пассивные.

Причины - это активные факторы: энергия волн, течения (направленные вдоль берега или в море вообще потоки воды, которые возникают под воздействием волновых, ветровых, сгонно-нагонных приливных явлений и под воздействием вращения Земли (силы Кориолиса), колебания уровня моря (повышение уровня вызывает размыв клифа; понижение - размыв бенча (абразионной отмели) и некоторые другие (колебание поверхности земли (трансгрессия, регрессия).

Условия - пассивные факторы: геологическое строение; физ-мехсвойства пород; профиль берега в плане и разрезе; климатическая зональность; растительность и др.

Интенсивность и характер воздействия волн и течений зависит от рельефа дна водоема; различают берега приглубые и отмелые.

Волны, подходя к берегу, трансформируются, изменяя свои параметры: высоту h, длину (или l), период Т и энергию Е (E = h³/8а, где h - расчетная (статистическая) высота волны, а - крутизна волны (h/). При их длительном действии происходит повышение (нагон) уровней. Мелководной зоной считается верхняя часть шельфа, при глубине Н<0,65 (длины волны).

Суммарная энергия системы волнения слагается из энергии отдельных волн e = a²/2ygl, где амплитуда волны а = 0,5h; у - плотность воды, g - ускорение силы тяжести. Соотношения между высотой средней волны h и образующими факторами:

h/v²g = 0,0042 (x/v²g) ^1/3; h/v²=0,0013 (t/vg) ^5/12,

где v - скорость ветра, м/с; t - время действия ветра, с; х - длина разгона волны.

Каждому этапу трансформации волн на отмели соответствуют величины потерь ее энергии и изменение ее воздействия на дно.

Штормовые волны возбуждают течения - вдольбереговые при косом подходе и придонные противотечения, нередко разрывные, например, в небольших бухтах.

берег абразия море озеро

Наложение волн разной высоты и энергии, их изменение во времени, рельеф дна и извилистость линии уреза, рефракция волн и разнообразные течения создают сложную нестационарную картину волнового поля, определяющего процессы абразии дна, в основании надводного уступа и миграции наносов. Волны, размывая берег, стремятся выработать отмель с профилем равновесия, обычно пологовогнутой формы, соответствующей составу наносов, пород и параметрам волн. Разворот фронта волны, стремящегося принять положение, параллельное берегу, по мере подхода к нему, называется рефракцией волн. Вблизи мысов волновая энергия концентрируется; на вогнутых отрезках берега - рассеивается.

Средняя крутизна отмели выработанного профиля от 1/3-1/2° в легкоразмываемых глинистых породах и при высоких волнах (Азовское побережье) до 10-12° и более в трудноразмываемых и при крупных наносах. На водоемах относительно ограниченных размеров (озера, водохранилища) параметры ветровых волн рассчитываются по эмпирическим формулам, графикам А.П. Браславского, номограммам. На Черном море зарегистрированы волны на подходе к берегу высотой 4-6 м и на больших водохранилищах - 2-3 м, редко выше.

Сила удара волн оценивается по натурным измерениям и эмпирическим формулам, например, по формуле Хирои:

P=3h (1+h/l), т/м^2,по которой при h = 6 м и l = 50 м, Р= 19,1 т/м².

Виды течений у морских берегов, не связанные с волнением: приливные на открытых побережьях, общей циркуляции, дрейфовые и др.

Скорости течений, вдольбереговых и не обусловленных волнами, могут достигать до 1,2-1,6 м/с и ориентировочно рассчитываются по формуле:

v = K (mh² sin 2a/Т) ^1/2,

где т - средний уклон дна; h - высота волн при разбивании; Т - период; а - угол между фронтом волн и линией берега; К - коэффициент, определяемый по формуле К³=0,871gs/п, где s - часть энергии, возбуждающей течение; п - коэффициент трения.

Современный уровенный режим морей и др. водоемов влияет на интенсивность и размеры абразии берега. Временное обнажение части береговой отмели при отливах из-за сгонных понижений уровня и при сработках на водохранилищах вызывает высыхание и разрушение пород отмели, их размыв. Периодические снижения уровней, чередующиеся с подъемами, отражаются на интенсивности процессов абразии, увеличивают общие размеры зоны разрушения берега, т.к. формируется более пологая отмель и большая энергия волн и течений расходуется на размывы, истирание и перемещение наносов на разных элементах отмели.

Наносы образуются за счет размыва уступа и отмели, выноса песчано-обломочного материала реками, временными водными и селевыми потоками.

Закономерности вдольберегового перемещения на отмели, состав, расходы, уход на глубину, истираемость; участки, интенсивность и формы аккумуляции - основные задачи комплексного гидрологического и инженерно-геологического изучения береговых процессов с целью обоснования и разработки инженерных мероприятий для прекращения размыва и искусственного пополнения обломочным материалом.

Абразия берегов практически прекращается, если сформировался на широкой отмели и пляже относительно стабильный слой песчаных или галечниковых наносов, защищающих отмель и уступ от размыва волнами и течениями.

Геологическими исследованиями выявляются участки возможного образования наносов, породы, слагающие берег, их петрографический состав, выветриваемость, склонность к обрушениям и сопротивляемость волновому размыву, селеносность рек и выносы пролювиальных масс из оврагов.

На Одесском побережье острый дефицит наносов: поступления материала на отмель из рек отсутствуют, их поглощают лиманы. Наносы могут образоваться только за счет разрушения непрочного известняка-ракушечника, которого недостаточно для формирования защитного слоя на отмели и пляже.

Сопротивляемость пород абразионному и эрозионному размыву определяется их литологическими типами, степенью литификации и метаморфизма (прочностью структурных связей), сложением, трещиноватостью, выветрелостью, размокаемостью и обводненностью, а также характером воздействия водных масс.

Размываемость пород оценивается несколькими показателями. К числу косвенных показателей относятся средние углы: абразионных отмелей моря или озера для определенных высот волн, что отчасти учитывает их энергию; бечевников крупных рек с высокими паводками, с типичной скоростью течения и энергией водного потока.

Различают донную и среднюю допускаемую (неразмывающую) скорости водных потоков, величины которых определяются по эмпирическим формулам, напр.В.Н. Гончарова:

,

где v_n - средняя неразмывающая скорость; y₁ и y ₀ - удельный вес частиц грунта и воды; g - ускорение силы тяжести; Н - глубина потока; d₅ - средний размер наиболее крупных фракций, содержание которых в смеси равно 5%. Табл.6.

Нормативные неразмывающие скорости для несвязных рыхлых грунтов

Природа и механизм размыва трещиноватых скальных, полускальных, литифицированных глинистых и обломочных пород иные, чем у несвязных рыхлых (табл.6). Для первых размыв обусловлен не потерей устойчивости при слабых вибрационных нагрузках от водного потока, а значительными изменениями прочности в результате выветривания и переменного увлажнения. Для лёссовых и растворимых пород разрушение структурных связей в результате размокания и выщелачивания являются решающими.

Абразионные отмели морей имеют разную, типичную для конкретных пород крутизну и для волн различной высоты и обладающих разной энергией и скоростями течения при оттоке. Для глин, в зависимости от их состава, прочности, выветриваемости, размокаемости и т.д., высот волн и колебаний уровней, величины типичных углов абразионных отмелей от 0,5 до 2-3°.

Вынос глинистых и пылеватых частиц начинается примерно при скоростях водного потока 0,1 м/с, и для каждой ее величины (0,5; 1; 3 м/с и т.д.) характерен свой размер обломков, из которых образуется отмостка - защитный слой. Для дальнейшего развития процесса необходимо, чтобы щебнистые и глыбовые образования (песчаников, известняков, гранитов и др.) подверглись выветриванию из-за колебания температуры, переменного увлажнения и высыхания, выщелачивания и распались на более мелкие обломки, которые могут перемещаться при данной скорости потока.

При оценках и прогнозах абразии и эрозии и используют параметры, характеризующие сопротивление размыву (тм/м³), т.е. какое количество энергии водных масс требуется для размыва 1 м³ породы при данной высоте волны или скорости течения.

Для районов с однотипным геологическим строением, рельефом берегов и гидрологической обстановкой устанавливают коррелятивные зависимости, напр, между энергией волн и интенсивностью абразии или между др. компонентами береговых процессов. Это основа для прогнозов на конкретном побережье и аналогичных.

В зависимости от геологического строения и древнего рельефа побережий сформировались современные типы берегов и шельфа.

Для северо-запада Черного моря, где с конца позднего плейстоцена (времени максимальной регрессии) характерно перемещение линии уреза моря на 100-200 км, в то время как для наиболее абразируемых участков Южного Крыма, где распространены терригенные породы таврической свиты, перемещение составило первые километры. Средний темп абразии с конца верхнего плейстоцена на Одесском побережье 5-10 м/год. Для Южного Крыма - 15-20 см/год. Образование заливов лиманов и глубоких фиордов (в районах трудно или практически неразмываемых пород, Скандинавия, Байкал и др.) связано с тектоническими как медленными, так и разрывными грабеноподобными опусканиями.

Неотектонические движения, обусловливая контрастность рельефа, отражаются на развитии геологических процессов - эрозионных, селевых, обвальных и оползневых на склонах, горных и иных возвышенностях, обрамляющих морскую и озерную впадины. Эти процессы являются одновременно действенным фактором формирования современных береговых склонов.

Грандиозные оползни известняков верхней юры, происходившие преимущественно в плиоцене - среднем плейстоцене, образовали в Южном Крыму гряды и мысы, которые бронировали склоны и существенно снизили их абразию. Между ними, где берег сложен терригенными породами, возникли бухты, из-за активных процессов размыва.

Т. обр., на развитие абразионных и аккумулятивных процессов, формирование типов берегов, их динамику и на современную устойчивость определяющее влияние оказывают геологические факторы. Силовое воздействие волн и течений, миграция наносов и другие гидрологические факторы в большей степени влияют на темпы и специфичность процессов на берегах морей и озер.

Современные побережья морей и крупных озер классифицируют по нескольким признакам:

1) режиму тектонических движений - берега поднятий и опусканий;

2) характеру современных процессов - абразионные, аккумулятивные и нейтральные;

3) по морфологии - а) выровненные, бухтовые с ограничивающими мысами и дельтовые; б) приглубые, отмелые, с подводными каньонами и ложбинами; в) пологие, крутые с обрывами надводные склоны разной высоты; г) террасовые, низменные и др.;

4) по развитию оползней, обвалов, эрозионно-селевых явлений и карста;

5) по современному состоянию на устойчивые, неустойчивые и потенциально неустойчивые.

Направленность ИГ изучения процессов формирования и абразии берегов морей, крупных озер и водохранилищ обусловлена:

1) оценкой влияния интенсивности и размеров размыва отмели и надводного уступа на устойчивость надводного и подводного склонов, вызывающего или активизирующего оползни, обвалы, овражную эрозию и др.;

2) защитой территорий от абразии и обоснованием проектирования и строительства берегоукрепительных сооружений и др. мероприятий;

3) рациональным размещением и обеспечением устойчивости объектов на берегу и верхней части шельфа;

4) характеристикой мест и интенсивности наносов за счет размыва берегового уступа.

Защита морских берегов от размыва (абразии)