Методы переработки берегов водохранилищ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Формирование берегов водохранилищ после их наполнения принято называть переработкой, т. к. до их создания берега формировались под воздействием природных процессов в иных, естественных, условиях. После наполнения водохранилищ эти условия резко изменяются. Речные берега превращаются в берега искусственного моря. Формируется вновь созданная береговая линия, под влиянием, главным образом, подмыва и разрушения, в пределах которой с большой скоростью идет размыв берегов, нарушается устойчивость склонов, активизируются экзогенные геологические процессы (оползни, обвалы, карст), продукты разрушения пород аккумулируются в ложе водохранилищ, изменяются гидрогеологические условия.

Под переработкой берегов понимается совокупность экзогенных геологических процессов (эрозия, абразия, аккумуляця, оползни, карст, суффозия и др.), обусловленных изменившимися в результате создания водохранилища природными условиями и приводящих к деформациям прибрежных территорий.

В мире существуют около 1100 водохранилищ, с объемом воды более 100 млн. км3. В СНГ - более 100 крупных водохранилищ, общая длина берегов которых более 200 тыс. км. В Украине к крупным водохранилищам можно отнести Киевское, Каневское, Кременчугское, Днепродзержинское, Запорожское, Каховское и др. Днепр как река перестал существовать с 60-х годов и превратился в каскад водохранилищ. За время существования Советского Союза на его территории было создано более четырех тысяч водохранилищ, объем каждого из которых превышал 1 млн. м3. Гигантские водохранилища 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.

Прогноз участков возможного подмыва и разрушения берегов, ширины зоны переработки и скорости ее увеличения является задачей инженерно-геологических исследований для обоснования проектов водохранилищ.

В отличии от морей, водохранилища, как правило, имеют вытянутую форму; режим их уровней зависит от водохозяйственных потребностей; у них другая гидродинамика масс воды и приспособления берегов рек к существованию в условиях водохранилищ (процессы речной эрозии сменяются процессами абразии).

Факторы-условия формирования берегов водохранилищ:

- геологические: группа горных пород по инженерно-геологической классификации, условия их залегания, трещиноватость (тектоническая, литогенетическая, экзогенная и техногенная), ориентировка тектонических структур, новейшие и современные движения земной коры, распределение рыхлого материала в береговой зоне и его состав;

- геоморфологические: рельеф подводного берегового склона (берега приглубые или отмелые) и побережья (берега погружения или поднятия); размеры, высота, крутизна, генетические типы, история развития, современное состояние, включая характер поверхности (задернованная, залесенная, распаханная и т.д.) склонов; изрезанность берега боковыми притоками; ориентировка береговой линии, положение аккумулятивных форм рельефа, современные геологические процессы, их проявление и активность и др.;

- 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 техногенных водоносных горизонтов;

- гидрологические: размеры водной поверхности, волнение, течения, уровенный режим водоема (многолетний, сезонный, недельный, суточный), ледовый режим, интенсивность волноприбойных явлений, вызванных господствующими ветрами, судоходством, паводками и др.;

- техногенные: строительство в береговой зоне, подработка и распашка склонов, экскаваторные и рефулерные работы, судоходство, режим эксплуатации водохранилища (объем, продолжительность, частота сработки уровня) и др.

Факторы переработки берегов водохранилищ разделяются на две группы:

- активные: энергия волн, сила ветра, течения и др;

- пассивные: геологическое строение, конфигурация берега и др..

Уровенный режим водоема отражает его колебания в результате изменения элементов водного баланса и является одним из основных факторов, определяющих процесс переформирования берегов. Гидравлическая характеристика водохранилища включает:

После постройки плотины речной режим резко сменяется озерным и начинается размыв берега с интенсивностью, соответствующей размеру водохранилища, характеру преобладающих ветров и степени размываемости пород. Развитие абразионных процессов на берегах водохранилищ направлено на выработку профиля равновесия, достижения относительной устойчивости новых форм берега, характерных для новых гидрологических и гидродинамических условий. Несоответствие ранее созданных форм новым условиям является причиной интенсивного развития процессов формирования нового профиля берегов водохранилища и всей его чаши. Динамика и интенсивность этих процессов определяются спецификой искусственного образования и гидрологического режима водохранилищ.

Результат - отступление надводной части берегового склона, новые его очертания и формирование в подводной части склона, в пределах зоны сработки уровня водохранилища, и глубины абрадирующего действия волны, абразионной аккумулятивной отмели. Смывается полоса суши шириной до сотен метров. Одновременно идет отложение продуктов разрушения, образование отмелей: мелкие частицы пород оседают на глубинах, крупные - образуют прибрежную аккумулятивную мель.



Рис. 1. Схема переформирования берега в результате проявления процессов абразии: а - схема аккумулятивно-абразионной подводной береговой отмели водохранилищ; б -- схема абразионной подводной береговой отмели водохранилищ; Lпер -- ширина зоны переработки; Lотм -- ширина отмели, НПУ - нормальный подпорный уровень.

Протяженность абразионных берегов на некоторых водохранилищах достигает 70% от общего протяжения береговой линии.

На Каховском водохранилище через год после начала его наполнения ширина зоны переработки берегов, сложенных лёссовыми породами, местами достигла 30--46 м, за 2 года -- 50--65 м, за 3 года -- 70--80 м и за 4 года -- 90--100 м. На Днепровском водохранилище ширина зоны переработки берега за 13 лет эксплуатации достигла местами 140--180 м.

Масштабы, формы и скорость переработки берегов неодинаковы в разные периоды времени их эксплуатации, на разных участках и в различных горных породах. Переработка берегов во времени постепенно затухает. Она наиболее интенсивна в первые 2-3 года после наполнения водохранилища, когда при резком изменении природных условий склоны оказываются в новых геологических условиях, нарушающих их устойчивость. Водохранилища проходят последовательно три стадии переработки берегов:

- 1-ая стадия - активной переработки - первые 10-15 лет. Подразделяется на два этапа:

- этап неустановившегося развития отмели (первые 3-5 лет);

- этап постоянного затухания из года в год процессов абразии (до 10-15 лет).

- 2-ая стадия - формирование преобладающего развития аккумулятивных процессов и возникновение динамических систем.

- 3-ья стадия - разделение водохранилища на изолированные акватории, активное их заиление.

Все расчеты конечной переработки оказались несостоятельными: вследствие постоянного нарушения условий водохозяйственных расчетов (сработка мертвого объема) стабилизация разрушения берегов наступает намного позже, чем расчетная.

Специфика и гидрологический режим водохранилищ оказывают влияние на развитие в их пределах геологических процессов, в частности, абразии. Типичный озерный режим характерен не для всей протяженности водохранилища. По характеру водного режима (С.Л. Вендров) на больших водохранилищах на равнинных реках выделяется на пять зон:

- глубоководная (приплотинная) зона - с наибольшим подъемом уровня воды; волноприбойные явления наиболее интенсивны, берега подвергаются большей переработке, образуется большое количество рыхлого материала, формирующего отмели, косы, бары; волны не оказывают влияния на дно водоема;

- зона средних глубин, при нормальном подпорном уровне мало отличается от первой зоны; при сработке водохранилища превращается в мелководный бассейн: переработка берегов происходит медленнее, чем в глубоководной зоне; волны взаимодействуют с дном и нивелируют его;

- верхняя зона - при НПУ является широким мелководным водоемом; волнение развивается слабо и переработка медленная; при сработке водохранилища водная поверхность сокращается до пределов естественного русла реки;

- зона выклинивания подпора - переработка берегов едва заметна;

- зона небольших заливов, которые постепенно превращаются в лагуны и заполняются рыхлым материалом; переработка берегов ослаблена.

Береговая линия водохранилищ при сработке перемещается в вертикальном направлении от 2--3 до 30--80 м, а в горизонтальном -- до 10 км, что сказывается на характере и интенсивности процессов переработки берегов. Горные породы, слагающие берега, попеременно увлажняются либо иссушаются, что усиливает и ускоряет их выветривание; инфильтрация в берега сменяется их дренированием и развитием фильтрационных деформаций пород; усиление волноприбойных явлений сменяется их ослаблением или прекращением; вдольбереговые направленные течения то возникают, то прекращаются и т.д.

Основными свойствами горных пород, определяющими развитие переработки берегов, являются размываемость, выветриваемость, прочность, деформируемость, плотность и влажность. Для оценки заиления водоемов и формирования вдольбереговых потоков наносов важен микроструктурный состав дисперсных, пылеватых и глинистых грунтов. Прямым показателем размываемости горных пород под воздействием волн является коэффициент размываемости (Е. Г. Качугин,1959).

По степени размываемости горных пород в береговой зоне водохранилища (Г. С. Золотарев) выделяют следующие группы:

- лёссовые породы -- очень легко размываемые; характер и скорость переработки берегов определяются главным образом их легкой размокаемостью;

- пески -- рыхлые несвязные породы, легко размываемые, переработка определяется в основном энергией (интенсивностью) волноприбоя и скоростью течений. Отступание береговых бровок, сложенных такими породами, может составлять первый десяток метров в год, особенно в начальный период эксплуатации;

- плотные глинистые (связанные) породы, мергели, слабые известняки, алевролиты, песчаники, кремнистые породы и другие полускальные -- среднеразмываемые; переработка берегов определяется скоростью их выветривания и размокания, осыпания и сноса рыхлого материала волнами и течениями. Скорость процессов абразии, в зависимости от степени и выветрелости, не превышает 3--5 м в год;

- соли, гипсы, ангидриты и другие легко растворимые породы, наличие которых резко меняет процессы переработки. В зоне берегового уступа формируются каминообразные ниши; постоянное растворение пород приводит к соединению соседних ниш и подрезке берега на больших расстояниях;

- мерзлые песчано-глинистые грунты, сильно выветрелые коренные породы, размыв которых определяется скоростью их оттаивания. Создаются наряду с абразией благоприятные условия для развития в береговой зоне процессов термокарста, солифлюкции и активизации глыбовых оползней.

- скальные прочные невыветрелые породы, магматогенных и метаморфогенных формаций (граниты, базальты, диабазы, кристаллические сланцы и т. п.) -- практически неразмываемые.

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. Абразионно-аккумупятивные процессы, для любой территории, где создаются водохранилища, являются новыми, несвойственными для данного региона, хотя их развитие определяется теми же закономерностями формирования берегов, которые характерны для крупных озер, морей и океанов. Особенно активизируются обвально-осыпной процесс, оползни, карст и суффозия. В пределах береговой и подводной зон формируются аккумулятивные формы рельефа -- пересыпи, косы, отмели. При затоплении пологих склонов и поверхностей речных террас создаются мелководные зоны, где абразия практически отсутствует; при сопряжении уреза водоемов с крутыми склонами абразия проявляется наиболее ярко.

Водохранилища создают подпор грунтовым водам, и подземные воды оказывают дополнительное воздействие на склоны, способствующие активизации оползней, обвалов. Все эти процессы проходят особенно интенсивно при быстрой сработке уровня воды в водохранилище. Возможны случаи заболачивания берегов или образования солончаков.

С точки зрения формирования подпора, в зависимости от его величины и этапа наполнения водохранилища, возможны три случая взаимодействия поверхностных и подземных вод:

- Движение подземных вод направлено в сторону реки -- собственной дрены. Случай создания равнинного водохранилища с небольшим подъемом воды;

- Движение направлено от водохранилища, что характерно для периодов наполнения водохранилища и формирования фильтрационных вод в прибрежной полосе;

- Движение подземных вод происходит вдоль речной долины, при небольших уклонах грунтового потока и при неустановившемся режиме фильтрации из водохранилища в период формирования призмы подтопления.

Для крупных водохранилищ наиболее характерен второй случай подтопления.

Волнение -- важнейший гидрологический фактор формирования береговой линии водохранилищ. В зависимости от происхождения, волны подразделяются на ветровые и судовые. Основным метеорологическим фактором, влияющим на процесс переработки, является ветровой режим. Размеры ветровых волн определяются направлением, продолжительностью и скоростью ветра, длиной разгона волны и глубиной водоема. 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. Волны водохранилищ меньше по высоте и длине, но более крутые, чем морские, что определяется глубинами и конфигурациями водоемов. В развитии ветрового волнения выделяются три стадии -- нарастающая, установившаяся и затухающая.

Расчет высоты волны может быть произведен по методу А.П. Браславского, в основу которого положено уравнение баланса волновой энергии; с целью облегчения расчетов построен ряд номограмм для ветра с различными скоростями (5, 10 20, 30 м/с). Для крупных водохранилищ со сложной конфигурацией береговых линий расчеты элементов ветровых волн следует производить в соответствии с Приложением № 1 СНиПа 2.06.04-82 (1983).

Параметры судовых волн определяются типом, размерами, осадкой, скоростью и курсом движения судна. Интенсивности воздействия этих волн на берег определяются близостью расположения фарватера.

Течения (ветровые и стоковые) имеют большое значение в перераспределении размытого материала и формировании аккумулятивных форм берега. Их возникновение и развитие определяется интенсивностью водообмена водохранилища и параметрами волнения.

Ветровые течения имеют наибольшее распространение и представлены вдольбереговыми волноприбойными и вдольбереговыми ветровыми типами.

Вдольбереговые волноприбойные течения ввиду высокой турбулентности и больших скоростей обладают высокой транспортирующей способностью. Формируются под воздействием вдольбереговых ветров. Зона их распространения ограничена с урезом воды со стороны берега и изобатой с глубиной воды, приблизительно равной половине длины волны (со стороны моря); наблюдаются на больших глубинах. Скорость вдольбереговых течений в приповерхностных слоях составляет 0.4-0.7 % от скорости ветра. С увеличением глубины скорость резко сокращается.

Стоковые течения выражены на водохранилищах сезонного или недельного регулирования и развиты в зонах выклинивания подпора и ниже его, наблюдаются вдоль затопленных русел рек. Скорости зависят от времени года, т. е. весной в периоды половодий они могут увеличиваться в несколько раз.

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 под действием ветра способны деформировать бичевник 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. Общепринятая методика прогноза ледовой абразии берегов отсутствует.

Для проектирования строительных объектов инженерно-геологические исследования должны дать прогноз переработки берегов водохранилищ - предсказание в пространстве и времени темпов отступания береговой линии с определением возможной ширины зоны абразии и скорости протекания этого процесса.

Важнейшим элементом является инженерно-геологическая типизация и районирование зоны влияния водоема с выделением районов, подрайонов и участков на основе комплекса исследований. Методика изучения инженерно-геологических условий поэтапна.

На первом этапе, до заполнения водохранилищ, производится инженерно-геологическая съемка масштаба 1: 100 000 - 1 : 200 000 с детализацией будущей береговой зоны в более крупных масштабах (от 1 : 25 000 до 1 : 5000), где располагаются ключевые участки для расчета переработки и изучения экзогенных геологических процессов. Съемка сопровождается буровыми и горными работами, отбором образцов ненарушенной и нарушенной структуры. 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 микроагрегатного состава, плотность, размокаемость и сопротивление сдвигу в водонасыщенном состоянии;

- для лёссовидных грунтов -- показатели микроагрегатного состава, плотность, размокаемость, просадочность, содержание карбонатов и воднорастворимых соединений;

- для аргиллитов, алевролитов, песчаников, конгломератов, известняков, доломитов, мергелей и т. п. -- литология, прочность, размягчаемость и выветрелость;

- для гипса, ангидрита, галита -- показатели вещественного состава, плотность и растворимость.

Итог этапа - серия карт, картограммы волнений, геолого-литологические поперечники для проведения расчетов, карта инженерно-геологического районирования.

На втором этапе -- в периоды наполнения и эксплуатации водохранилища основное внимание уделяется изучению береговой линии на выбранных геодинамических площадках и полигонах, уточняются данные по размываемости пород, оценивается прогноз и вносятся соответствующие коррективы.

По теоретическим предпосылкам обоснования расчетов все методы подразделяются на три группы -- энергетические, геологического подобия и вероятностно-статистические (или стохастические, по Г. С. Золотареву (1990)).

При прогнозе переработки берегов водохранилища необходимо определять: 1) ширину зоны переработки; 2) скорость переработки берега, т. е. скорость перемещения береговой линии, берега и берегового уступа в сторону суши (ширину береговой полосы, которая будет размыта за 1 год, 10 лет, 20 лет и т. д.); 3) направление инженерных мероприятий для предупреждения и локализации разрушения территории. Ширину зоны переработки можно прогнозировать на разные периоды времени, например через год после наполнения водохранилища, через 10 лет, на конечный этап переработки, когда дальнейшее перемещение берега и берегового уступа будет происходить настолько медленно, что не будет представлять уже практического интереса. Скорость переработки позволяет оценивать опасность развивающихся явлений и соответственно предупреждать аварийное состояние сооружений или территорий, расположенных в береговой зоне.

Каждый прогноз предполагает подготовку и установление: 1) расчетной схемы -- расчетного геологического разреза по каждому типичному участку береговой зоны; 2) расчетных данных, характеризующих свойства горных пород и параметры ветровых волн на рассматриваемом участке береговой зоны; 3) расчетного периода, для которого будет составляться прогноз.

Методы прогноза переработки берегов водохранилищ подразделяются на 4 основные группы:

1. Энергетические методы: Е.Г. Качугина (1959), М.Е. Кондратьева и др. заключаются в сравнении суммарной энергии волнения с показателями прочности размываемых горных пород. Основой метода Е.Г. Качугина является эмпирическая формула:

Q = E·Kр·Кб·tb,

береговой абразия водохранилище волноотбойный

где Q - объем размытой породы в метрах кубических на 1 пог. м длины береговой линии за время t; Е - средняя многолетняя энергия волнения в тоннометрах (тс·м); Кр - коэффициент размываемости горных пород, численно равный объему в метрах кубических размытой породы в первый год размыва, который приходится на единицу работы волны в тоннаметрах; (0,00650 - 0,00050) (м3/тс·м); Кб - коэффициент, зависящий от высоты берега и характеризующий потерю энергии волн на отмели; при высоте берега 30м и более Кб = 1; (Кб = hб·с; с - коэффициент, зависящий размываемости пород и колеблющийся от 0,025 у легкоразмываемых глин до 0,12 у трудноразмываемых пород); t - время размыва, годы; b - показатель степени (меньше 1), зависящий от скорости затухания размыва и скопления у берега осадков; он характеризует отношение ширины абразионной части отмели к ширине всей отмели; колеблется от 0.95 при абразионной до 0.45 при широкой аккумулятивной отмели.

Энергия волнения определяется для каждого расчетного поперечника. Для этого используется специальный график, составленный с учетом высот волн, рассчитанных по методу А.П. Браславского, и данных о продолжительности действия ветра. Определение Кр - по таблице размываемости. Kб принимается как средневзвешенная величина с учетом мощности слоев, их зон или пачек.

По формуле Е.Г. Качугина рассчитывается только объем размытой породы за заданный промежуток времени. Ширина зоны размыва (S), т. е. тот показатель, что в первую очередь интересует инженеров-геологов, определяется с помощью графических построений. Для этого находят положение верхнего (ВПР) и нижнего (НПР) пределов размыва и строят профиль переработки берега с таким расчетом, чтобы объем смытых пород соответствовал значению Q, (Q5, Q25, и т.д.).

За верхний предел размыва принимается положение высокого уровня воды в водоеме 2-4 %-ной обеспеченности плюс 1/3 высоты рабочей волны. Нижний предел размыва -- положение низкого уровня 96-98 %-ной обеспеченности в период открытой воды, спиленное на 1/3 высоты рабочей волны.

Скорость переработки берегов водохранилищ при всех прочих равных условиях возрастает с уменьшением высоты берегового откоса и определяется устойчивостью пород откоса против размыва. При средней высоте откоса 2-4 м над бичевником скорость разрушения береговой полосы за один сезон бывает: для лессовых пород -- до 8 м и более; в различных песках -- 2 м; в глинистых породах -- до 1 м. Скорость волновой переработки берегов, сложенных коренными скальными породами, часто не имеет практического значения.

Эти методы наименее применимы при прогнозе абразионного развития берегов, сложенных дисперсными породами. Для высоких склонов, имеющих сложное геологическое строение, в котором участвуют скальные и полускальные грунты, расчеты абразии по этому методу менее надежны, ибо коэффициенты размываемости очень упрощенно учитывают процессы разуплотнения и выветривания массивов пород.

2. Методы аналогий:

- прямых аналогий;

- натурных моделей (Л.Б. Розовского);

- косвенных аналогий (Г.С. Золотарева, Е.К. Гречищева и др.).

Группа методов геологического подобия (или сравнительно-геологических) основана на качественном, описательном, экспертном или количественном сопоставлении «эталонного» и оцениваемого объектов. Анализ критериев подобия (геологического, морфометрического, гидрологического, динамического, временною) позволяет сделать вывод о сходстве сравнительных объектов и перейти к прогнозу изменений на оцениваемом участке в будущем. Это метод аналогий, разработанный Л.Б. Розовским для водохранилищ Украины, графоаналитический метод Г.С. Золотарева для берегов сложного строения при нестационарных уровнях, метод развития закарстованных берегов И.А. Печеркина и др.

Метод Г.С. Золотарева (1969) позволяет прогнозировать переработку берегов на 10-летний и конечный сроки формирования берега. Он основан на учете геологических, геоморфологических, гидрогеологических данных. Применим для равнинных и горных водохранилищ.

Для построения профиля прогноза переработки необходимо иметь:

- параметры волн: высоту и длину при разной обеспеченности и силе ветра, с учетом рельефа и дна водохранилища;

уровенный режим водоема для периодов разной водообеспеченности;

- инженерно-геологические разрезы берега в масштабах 1 : 1000 и 1 : 200 с характеристикой микрорельефа и состава грунтов, слагающих берег;

- гидрогеологические данные, характеризующие водоносные горизонты, их уровни и динамику; данные, оценивающие степень влияния подземных вод на прочность горных пород;

- данные о морфологии и морфометрии устойчивых откосов и склонов разных генетических типов, характерных для различных пород и т. п.

Построение профиля прогноза начинается с определения глубины расположения бровки уступа береговой отмели -- точки А, находящейся ниже линии НПГ, на глубине максимального размыва, равной hp.

Метод природных аналогов Л.Б. Розовского разработан для прогноза развития берегов, сложенных преимущественно лёссовидными и рыхлыми отложениями на примере Днепровского каскада ГЭС.

Оценка абразионной устойчивости склонов водохранилищ производится с помощью альбомов природных аналогов, которые представляют собой участки побережий исследованного водохранилища. На картах показывается положение отдельных элементов 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. Прогноз выполняется в процессе интерпретации данных выбранного в альбоме аналога на оцениваемый объект берега.

Вначале качественно оценивается однообразие аналога и объекта, при этом учитывается: геолого-геоморфологическое строение; гидрологический режим; механизм переработки берегов; динамические типы берегов и т. д.

Потом вычисляются критерии геологического подобия (КГП), которые представляют собой безразмерные числа, отражающие существенные стороны явлений и их взаимодействий. Общими (уникальными) и определяющими для всех альбомов будут три критерия:

-- критерий геодинамического подобия, представляющий отношение энергии факторов, способствующих разрушению бере-ювых уступов к потенциальной энергии факторов, противодействующих этому разрушению;

-- критерий литологического подобия;

-- критерий геометрической формы, который может быть выражен любой морфологической характеристикой.

Достаточное совпадение этих критериев на аналоге и объекте позволяет оценить процесс абразии на интересующем участке.

По различным критериям все виды прогнозов переработки берегов водохранилищ могут быть объединены в три разных класса.

Временные прогнозы подразделяются на краткосрочные (предупредительные) с периодами прогнозирования от 1 до 10 лет и долгосрочные (перспективные), включающие прогнозы на 10 и более лет, в том числе на конечную стадию развития берега. Пространственные прогнозы объединяют в себе локальные, характеризующие переработку по отдельным профилям (профильный прогноз) или участкам (площадной прогноз) и выполняемые в масштабах 1 : 1000 - 1 : 10000; и региональные, характеризующие переработку по периметру всего водохранилища или его отдельной части и производимые в масштабах 1 : 25 000 - 1 : 200000.

3. Методы обобщенных переменных (В.М. Воскобойников, О.Г. Лиходедова).

Методы натурных моделей и обобщенных переменных разработаны в Одесском университете (Л.Б.Розовский, В.М.Воскобойников и др.).

4. Математические методы: статистические, детерминированные и смешанные. Прогноз выполняется на основании уравнений теории вероятностей и математической статистики, математической физики, эмпирическим формулам.

Вероятностно-статистические методы, предполагающие закономерно-затухающее развитие процессов, основаны на анализе фактических данных переработки берегов во времени и пространстве с учетом влияния волновых факторов, ее определяющих. Эти методы применимы только для уже существующих эксплуатируемых водохранилищ, на которых накоплены значительные ряды наблюдений за переформированием берегов.

Прогноз переработки берегов горных водохранилищ. Водохранилища, создаваемые в долинах горных рек, отличаются от условий водохранилищ равнинных значительной расчлененностью рельефа, морфологией речных долин и сложностью геологического строения. Для них характерны:

- значительные глубины (до 70-100 м и более) и сравнительно малая ширина;

- высокие, большой крутизны склоны (обрывы, отвесные стенки);

- сравнительно небольшая площадь водной поверхности и малая площадь затопления территорий;

- большая величина сработки уровней, достигающая нескольких десятков метров;

- большая изменчивость волновых явлений в связи с большой изменчивостью направления ветров, достигающих часто больших скоростей;

- малая высота ветровых волн вследствие малой длины разгона и относительно малый их период;

- большая сложность геологического строения, различная на разных участках по периметру водохранилища, обусловленная сложностью геологического разреза, большой дислоцированностью и трещиноватостыо пород, неблагоприятными условиями их залегания, наличием тектонических нарушений и разрывов;

- резкая активизация современных геологических процессов (выветривания, оползней, обвалов, осыпей и др.) вследствие периодического и значительного колебания уровня воды в водохранилищах. Процессы денудации на крутых склонах опережают процессы выветривания, поэтому экспозиции подвергаются все новые и новые зоны пород;

- сравнительно малая интенсивность процессов переработки берегов, так как на многих из этих водохранилищ они сложены прочными и неразмываемыми скальными и полускальными породами. В ряде случаев абразия и на горных водохранилищах является основным процессом переработки берегов;

- отсутствие благоприятных условий для образования аккумулятивных отмелей и пляжей, являющихся природной защитой берегов, вследствие перемещения материала разрушений к подошве крутых склонов при периодической и значительной сработке уровней;

- малая роль вдольбереговых течений в формировании рыхлого материала в береговой зоне вследствие значительной крутизны и расчлененности берегов и изменчивости направления и скорости ветров.

При прогнозе переработки таких берегов необходимо учитывать все факторы, определяющие особенности условий горных водохранилищ.

В настоящее время при прогнозировании переработки берегов горных водохранилищ используют преимущественно качественные приемы, основанные на выделении участков с разной устойчивостью берегов и склонов в зависимости от состава, физического состояния и свойств горных пород, их слагающих, от крутизны склонов, их строения и других признаков, указывающих на степень их устойчивости (метод геологического подобия -- метод аналогий Л.Б. Розовского).

Мероприятия и сооружения для защиты берегов от подмыва и разрушения.

На основе расчетных схем разрабатывают защитные мероприятия, направленные против постоянных и временных подтоплений, повышения уровня грунтовых вод и переработки берегов водохранилищ. Применяют те же сооружения, что и в борьбе с абразией морей и озер.

Меры защиты подразделяются на профилактические и капитальные.

Профилактические мероприятия осуществляются с целью предупреждения развития опасных явлений, нарушения равновесия в развитии геологических процессов (охрана пляжей, берегоукрепительных сооружений, наблюдение за их работой, ремонт, стационарные (режимные) наблюдения, направленные на предупреждение аварийного состояния участков и сооружений в береговой зоне).

Пляж - главная природная защита берегов. Охрана рыхлого материала на пляже (песок, гравий, галечник, щебень, глыбы) от разработки и искусственного уничтожения - главное профилактическое мероприятие. К этой категории относится применение искусственных пополнений пляжа путем отсыпок привозного материала.

Капитальные мероприятия - строительство сооружений и береговых укреплений для защиты берега от прямого воздействия волноприбоя и сохранения и наращивания в прибрежной зоне рыхлого материала, слагающего пляж и аккумулятивную отмель.

Защитные сооружения представляют собой различного рода берегоукрепления: волноотбойные стенки, ряжи (сруб из бревен в виде ящика, заполненный камнем), бетонные плиты, габионы, тетраподы, каменные наброски, молы, волноломы, дамбы, мощение берега и откосов камнем, одерновка откосов и др.

Буны и волноломы хорошо выполняют свою роль лишь при небольших колебаниях уровня, а в водохранилищах они значительны вследствие периодической сработки горизонта воды. Поэтому для защиты берега лучше применять различного рода покрытия из камня, железобетонных плит, асфальта, геосинтетических материалов.

Для выбора типа одежды покрытия важен прогноз времени затухания процесса переработки. Например, асфальтовые покрытия следует применять в местах, где переработка берегов будет развиваться в ближайшее десятилетие. Каменные покрытия надежны и долговечны. Основным их достоинством является приспособляемость к деформациям откоса, но главный недостаток -- трудоемкость работ. Железобетонные покрытия отличаются большей надежностью. Особенно перспективны конструкции из экологичных геосинтетических материалов.

Сооружения, предназначенные для сохранения (удерживания) рыхлого материала в береговой зоне и его аккумуляции, являются наносоудерживающими.

Мол -- дамба или массивная бетонная стенка, простирающаяся от берега в море, представляющая собой ограждающее сооружение участка береговой зоны, залива, акватории для защиты берегов и портов от волноприбоя.

Волноломы (незатопляемые и донные) -- дамбы из каменной наброски или массивы из бетона, располагающиеся на некотором расстоянии от берега и образующие препятствие для гашения энергии волн и для накопления и удержания наносов за волноломом. В плане волноломы обычно располагают параллельно берегу, на глубине от 2 до 4 м. Иногда их соединяют с берегом поперечными траверсами (дамбы) для устранения продольных течений за волноломом.

Буны - поперечные сооружения (бетонные массивы, шпунтово-свайные ящики, заполненные камнем, дамбы из каменной наброски и др. - преграды для потока движущихся наносов, способствующие сохранению и наращиванию пляжа вдоль защищаемого участка.

Волноотбойные стенки - продольные сооружения, примыкающие к берегу и защищающие его от размыва. Это искусственный уступ -- клиф.

Выбор способа защиты берега от подмыва и разрушения определяется мощностью волновых явлений, наличием вдольбереговых направленных потоков наносов, рельефом береговой зоны, особенно подводной ее части, геологическим строением, необходимостью наряду с защитой берега выполнять его архитектурное оформление. Важна техническая целесообразность способа защиты и экономическая выгодность.

Инженерно-геологические исследования для прогноза и оценки условий строительства сооружений в районах развития процессов абразии должны быть комплексными.

Размещено на Allbest.ru