UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The article considers the causes of negative impacts of water on the shoreline of Lake Bolshoye Yarovoye and analyzes possible professional solutions for engineering protection of the shoreline. The main factors affecting the shoreline condition, such as hydrological, geological and climatic conditions, are considered. Methods for assessing and predicting the negative impacts of water are described and examples of engineering solutions for shoreline protection are given. The cost-effectiveness of engineering solutions is also discussed. The article concludes with recommendations on the selection of the most effective technical solution for engineering protection of the lake shoreline, taking into account specific conditions.
engineering protection of the coastal line, negative water impact, bank erosion, planned deformations, water level growth, overwater beach berm, shoreline, bank collapse, sediment accumulation.
Актуальность статьи обоснована активным обрушением берегового склона озера Большое Яровое Алтайского края. Освоение территорий с древних времен предполагало наличие самой важной составляющей жизни всего человечества: воды. Человек всегда использовал привлекательность прибрежного проживания, что связано не только с эстетическим восприятием, но и производственной необходимостью и качественным уровнем жизни [1]. Целью выполняемой работы является подбор профессионального решения для инженерной защиты береговой полосы озера Большое Яровое от негативного воздействия вод в пределах г. Яровое.
Главная задача статьи – выявление причин негативных воздействий вод на г. Яровое и на основании проведенного анализа предложение путей решения.
В физико-географическом отношении рассматриваемая территория расположена в западной части Кулундинской равнины на высоте 80,0 м над уровнем моря. К северному берегу озера вплотную прилегает г. Яровое. Расположение участков проектирования показано на рисунке 1.
Рис. 1. Расположение участков проектирования
Озеро относится к типу бессточных междуречных озёр, не имеющих связи с реками и получающих поверхностный приток в течение короткого времени (в период стока талых вод). В это время наблюдается выраженный подъём уровня воды, составляющий около 0,30-0,60 м. С мая по сентябрь испарение с водной поверхности превышает осадки, и уровень постепенно снижается.
На территории района проектирования возможно периодическое достижение гидрометеорологическими явлениями экстремальных величин, что связано с орографическими особенностями расположения этой территории. Опасные гидрометеорологические явления обуславливаются движениями атмосферы синоптического масштаба (циклоны, атмосферные фронты), мезомасштабными (шквалы, облачные скопления, грозовые ячейки) и мелкомасштабными движениями. В соответствии с СП 47.13330.2016 [2], СП 11-103-97 [3] опасные метеорологические процессы и явления, наблюдавшиеся на территории района проектирования и требующие учета при проектировании, обязательно учитываются.
Для определения величины плановых деформаций (размыва берегов) озера Большое Яровое были совмещены топографические карты 2003 и 2021 годов, что позволило установить скорость размыва берегов (таблица 1).
Участок инженерной защиты береговой полосы на оз. Большое Яровое расположен на участке абразии, где плановые деформации берегов проявляются активно.
Таблица 1 – Скорость размыва берегов за период 2003– 2021 гг.
|
Водоток |
Номер массива размыва |
Площадь размыва, м2 |
Фронт размыва, м |
Средняя величина размыва за период, м |
Средняя скорость размыва, м/год |
|
оз. Большое Яровое |
1 |
43162 |
4920 |
8,8 |
0,52 (ЗБ) |
|
2 |
53982 |
3404 |
15,9 |
0,93 (СБ) |
|
|
3 |
219563 |
4431 |
49,6 |
2,91 (ВБ) |
Согласно акту обследования были выделены три участка, подвергаемых регулярному, катастрофическому размыву. На данных участках необходимо осуществить инженерные мероприятия защиты берега от разрушения. Для удобства при проектировании участки разделены на этапы.
Первый участок располагается в северо-восточной части оз. Большое Яровое в районе золоотвала (Рис. 2). Общая протяженность данного участка около 850 м. Вдоль берега расположены отвалы золы высотой 10-15 м.
Рис. 2. Участок I этапа.
Берег сложен из суглинков, местами в акватории озера встречаются железобетонные конструкции. В восточной части аккумулятивный (неразрушающийся) участок протяженностью около 400 м.
Второй участок располагается в северо-западной части оз. Большое Яровое в районе жилой застройки. Общая протяженность данного участка около 600 м (Рис. 3).
Рис. 3. Участки II и III этапа.
Вдоль берега расположены малоэтажные жилые дома по ул. Набережная. Участок занят жилыми, хозяйственными строениями и огородами, которые находятся на расстоянии 10-15 м от берега. Заборы некоторых участков частной собственности располагаются на клифе овражных берегов.
Береговая линия волнистая в плане. Склон берега обрывистый. Высота клифа колеблется в пределах 5-7 м. Берега сложены в основном суглинками. Берег покрыт травянистой растительностью и имеет развитый дерновой слой.
На участке наблюдается выветривание пород клифа (осыпание и обрушение). При максимальных волнениях воды происходит активная абразия клифа.
Третий участок располагается в северной части оз. Большое Яровое в районе нежилой застройки. Общая протяженность участка около 500 м.
На протяжении 280 м вдоль берега расположены капитальные гаражи. Далее вдоль берега располагается территория лечебного корпуса КГБУЗ Краевой лечебно-реабилитационного центра г. Яровое и Администрация города.
Берег покрыт травянистой растительностью и имеет развитый дерновой слой.
Тип берега обвально-абразионный, с высотой клифа 7-10 м. Тип обрушения при подмыве основания берега обвально-обсыпной. Размыв берега происходит не равномерно, и бровка имеет на протяжении волнистый вид. В центральной части участка наблюдается процесс оврагообразования. Овраги вдаются в берег на 15-20 м, с шириной по верху в устье до 20 м и с глубиной 2-3 м.
Важнейшими факторами, определяющими эволюцию рельефа береговой зоны озера Большое Яровое, как и других крупных водоемов, являются динамика его уровня и ветровое волнение. Справедливость этого утверждения доказывается как результатами многочисленных исследований на водохранилищах (объектах с весьма динамичным и управляемым уровнем) и морях [4] Зенкович, 1962, так и современным видом береговой зоны озера.
Ветер, дующий над поверхностью водоема, генерирует нерегулярные ветровые волны, параметры которых зависит от разгона (расстояния от подветренного берега до расчетной точки), скорости ветра и времени его действия, а также от глубины водоема.
Энергия обрушающихся волн частично рассеивается, а частично расходуется на перемещение слагающего дно материала в поперечном и вдольбереговом направлении, которое в свою очередь приводит к изменению рельефа береговой зоны: размыву в одних местах и аккумуляции в других.
Профиль относительного динамического равновесия описывается функцией Дина:
(1)
где у – поперечная координата, изменяющаяся от 0 до hbmax – глубины обрушения максимальной волны; А, м1/3 – масштабный коэффициент профиля, зависящий в основном от крупности слагающего его материала (наносов), а также от отношения плотности материала к плотности воды (Рис. 4).
Рис. 4. Зависимость масштабного коэффициента профиля равновесия от крупности материала и отношения плотности материала к плотности воды (
). При построении графиков полагалось 
кг/м3 – плотность песка. 1 – s = 2.269, 
= 1168 кг/м3 - рапа; 2 - s = 2.345, = 1130 кг/м3 - рапа; 3 - s = 2.588, = 1024 кг/м3 – морская вода; 4 - s = 2.650, = 1000 кг/м3 – пресная вода.
С ростом крупности наносов растет и крутизна профиля. Увеличение высоты волн ведет к перестройке профиля. Если на подводном склоне и на надводном пляже недостаточно материала для этого, происходит размыв коренного берега. При этом его склон подрезается, образуется береговой обрыв, высота которого постепенно возрастает по мере продолжения процесса разрушения.
Стремление берега сохранить равновесный профиль определяет и его реакцию на рост уровня водоема. При подъеме уровня, профиль стремится подняться на ту же величину, а необходимый для этого материал получается в ходе размыва берега, что ведет к отступанию профиля вглубь суши. Математически величина этого отступания (
где P – длина профиля, м; Z – величина подъема уровня, м; B – высота берега до начала подъема, м; hbmax – глубина обрушения волн, м.
Рис. 5. Иллюстрация к правилу Бруна-Зенковича (2).
При циклических колебаниях уровня перед фронтом коренного берега со временем образуется надводная пляжевая берма – пологонаклонная терраса, содержащая запас материала, необходимый для перестройки профиля в соответствии с правилом Бруна-Зенковича.
После построения профиля равновесия и бермы (надводного пляжа) коренной берег полностью изолирован от волновых нагрузок. Его дальнейшее развитие происходит под влиянием ветровой эрозии, поверхностного смыва и других не гидродинамических факторов, действие которых в целом направлено на превращение берегового обрыва в пологий склон, т.е. также на достижение некоторого равновесного состояния (Рис. 6).
Рис. 6. Схема профиля стабильной (равновесной) береговой зоны.
Несвязный материал, перемещаемый обрушающимися волнами вдоль берега, создает вдольбереговой поток наносов.
Участок береговой линии находится в равновесном состоянии, если результирующий поток наносов, т.е. сумма с учетом знака потоков от всех действующих волнений, остается постоянной. В случае дисбаланса вдольберегового потока происходит либо размыв берега – с него изымается необходимое для поддержания постоянства потока количество материала, либо аккумуляция наносов и выдвижение берега – поток избавляется от излишков материала (Рис. 7).
Рис. 7. Эволюция береговой линии в плане.
Из рисунка 7 хорошо видна общая тенденция плановой эволюции береговой линии, направленная на ее сглаживание, что ведет к срезанию мысов и заполнению бухт.
На равновесных в целом берегах с увеличением длины разгона береговая линия разворачивается постепенно в направлении перпендикулярном господствующему волнению. Рост угла подхода компенсирует возрастание волновой энергии, и величина вдольберегового движения остается постоянной.
Длительность процессов достижения берегом равновесия по профилю и в плане различна. Равновесие в плане требует обычно на порядок больше времени (10 лет и более), чем выработка подводного профиля равновесия (несколько лет) Сокольников, 1976 [7]; Shore Protection Manual, 1984 [8].
Результаты исследований показывают, что наибольшую опасность с точки зрения потерь прибрежной территории представляет рост уровня воды озера. Поскольку отступание берегов в данном случае объясняется потребностью в получении дополнительного материала для перестройки профиля, наиболее действенный способ защиты состоит в упреждающем удовлетворении этой потребности, т.е. в создании перед фронтом коренного берега соответствующего резерва несвязного рыхлого материала (песка), сосредоточенного в пляжевой берме (надводном пляже).
Искусственное снижение крутизны коренного берега может служить источником материала для формирования бермы. Однако, поскольку крупность материала берегового обрыва невелика, такой способ подпитки следует дополнять отсыпкой более крупного материала из внешних источников (наземных карьеров).
Рис. 8. Уполаживание откоса путем срезки на участке 2. Отсыпка материала в приурезовой зоне с воды невозможна из-за малых глубин и отсутствия соответствующего оборудования. Поэтому, необходимо будет освободить рабочее пространство в прибрежной полосе, для чего придется демонтировать постройки и вывести из оборота земельные участки, непосредственно примыкающие к кромке коренного берега. Эвакуация также потребуется и при проведении работ по противодействию склоновым процессам. (Рис. 8,9)
Рис. 8. Уполаживание откоса путем срезки на участке 2.
Рис. 9. Уполаживание откоса путем срезки на участке 3.
Более выгодный вариант решения проблемы – строительство берегоукрепительного сооружения.
Расчет гребня сооружения и технико-экономическое сравнение вариантов было представлено для двух типов крепления берега: каменный банкет и шпунтовая стенка. Технико-экономическое сравнение представлено в таблице 2
Таблица.2 – Технико-экономическое сравнение вариантов
|
Наименование |
Ед. изм. |
1 вариант (шпунт) |
2 вариант (банкет) |
|
Протяженность крепления |
м |
1733 |
1810 |
|
Материалы: |
|||
|
Металлопрокат |
т |
63 |
- |
|
Шпунт |
м2 |
9560 |
- |
|
Щебень |
м3 |
1390 |
9130 |
|
Геотекстиль |
м2 |
6940 |
28500 |
|
Песок (обратная засыпка) |
м3 |
20400 |
4710 |
|
Песок крупный (для дренажа) |
м3 |
- |
3920 |
|
Камень проектной Крупности |
м3 |
- |
47000 |
|
Оценка стоимости СМР основных сооружений в ценах 2022 года |
тыс. руб. |
263494.3 |
168662.68 |
Исходя из того, что эвакуация построек и выведение земельных участков из оборота не предоставляется возможным, было принято решение о строительстве берегоукрепительных сооружений для предотвращения дальнейшего подмыва и обрушения берега.
В качестве основного варианта для дальнейшего проектирования принимается каменный банкет.
1. Tatayna Pilipenko: Dynamics of processing of the Novosibirsk reservoir banks AFE 2021 IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 937 (2021) 042097 IOP Publishing doihttps://doi.org/10.1088/1755-1315/937/4/042097, Tatayna Pilipenko, Ekaterina Enaki , Victoria Belyaeva , and Vera Kofeeva
2. SP 47.13330.2016 Engineering surveys for construction. Basic provisions. Updated edition of SNiP 11-02-96 (with Amendment N 1): date of introduction 30 December 2016/ Ministry of Construction of Russia - official edition - Moscow: Standardinfrom, 2017
3. SP 11-103-97 Engineering-hydrometeorological surveys for construction: date of introduction 10 July 1997/ Committee of the Russian Federation for Architecture and Construction - official edition -M.: PNIIIS of Gosstroy of Russia, 1997.
4. Zenkovich V.P. Fundamentals of the doctrine of development of sea shores - M.: Izd-constitution of the Academy of Sciences of the USSR, 1962 - 710 p.
5. Bruun P. Sea Level Rise as a Cause of Shore Erosion // Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering - 1962 - Vol. 88, No 117.
6. Edelman T. Dune Erosion during Storm Conditions // Proc. 13th Int. Conference on Coastal Eng. - N.Y.: ASCE, 1972.
7. Sokolnikov Y.N. Engineering morphodynamics of banks and its applications - Kiev: Naukova Dumka, 1976 -226 p.
8. Shore Protection Manual - Publisher Vicksburg, Miss. : Dept. of the Army, Waterways Experiment Station, Corps of Engineers, Coastal Engineering Research Center ; Washington, DC : For sale by the Supt. of Docs., U.S. G.P
